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 NGUYÊNTRƯỜNG 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 C

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 http://w w w.lr c -t n u.edu vn/

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 http://w w w.lr c -t n u.edu vn/

i

-t n u.edu vn/

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu

t n u.edu vn/

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu

i

-Tên tôi là: Hà Việt Dũng

LỜI CAM ĐOAN

Sinh ngày: 02 tháng 9 năm 1980

Học viên lớp cao học K14 – Tự động hoá – Trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp 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 sựhướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kếtquả 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

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

4

-3.1.1 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

6

-Hình 2.17 Sơ đồ khối ACS712 43

Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo dòng điện 43

Hình 2.19 Đặc tính vào ra của ACS712 44

Hình 2.20 Tín hiệu xung từ cảm biến Hall 44

Hình 2.21 Mạch đo tốc độ động cơ 45

Hình 3.1 Động cơ thực nghiệm 46

Hình 3.2 Bộ biến đổi năng 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

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 Nhưvậy việc xác định chính xác vị trí roto để điều khiển việc cấp dòng cho cuộn dâyStato 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 nghiêncứu, 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 đặctính của chúng thích hợp với các truyền động servo Tuy nhiên, hạn chế duynhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bịmòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên Để khắc phục nhược điểm nàyngười ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năngcủa cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạnnhư biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Nhữngđộng cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnhcửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DCMotor) Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hếtcác 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 cơmột chiều thông thường hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệtđáng kể ở một vài khía cạnh Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệhiện tại, ta thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng Bảng1.1 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 làquá 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 chổithan Ngược lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiệnbằng 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

Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên

Đáp ứng chậm hơn Dễ bảo dưỡng(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 phaPhương pháp đổi

chiều

Tiếp xúc cơ khí giữachổi than và cổ góp

Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết

bị bán dẫn như transitor, IGBT Phương pháp xác

định vị trí rotor

Tự động xác địnhbằng chổi than

Sử dụng cảm biến vị trí: phần tửHall, cảm biến quang học (opticalencoder)

Phương pháp đảo

chiều

Đảo chiều điện ápnguồn (cấp cho phầnứng hoặc mạch kích từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệulogic

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 châmvĩnh cửu Hình 1.1 minh hoạ cấu tạo của một động cơ một chiều không chổithan ba pha điển hình:

3

-Hình 1.1 Cấu tạo động cơ MCKCT

ĐC đồng bộkích thích vĩnhcửu

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 nhiềupha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu Điểm khác biệt cơ bảncủa động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kếthợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằmtạo 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 hợpcủa động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tửchuyển mạch theo vị trí rotor

t n u.edu vn/

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu

4 Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết cáccảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sửdụng cảm biến quang học Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suấtcao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sửdụng 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 phầnchính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xácđịnh 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 chiềukhông chổi than chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, bapha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha (hình 1.3) Dây quấn ba pha cóhai 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 cáccuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator Theotruyền thống cấu tạo stator của động cơ MCKCT cũng giống như cấu tạo của cácđộng cơ cảm ứng khác Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác Hầuhết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theohình sao

Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sựkhác nhau của hình dáng sức phản điện động Động cơ MCKCT có 2 dạng sức phảnđiện động là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính vì sự khác nhau này màtên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ MCKCT hình sin và động cơMCKCT 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 đắthơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hình thang thì rẻ hơnnhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động

là lớn hơn

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 3pha Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Phụ thuộc vàokhả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp Động cơnhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động

6 nhỏ… 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 châmvĩnh cửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạotrục 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 thíchhợp được chọn tương ứng Nam châm Ferrite thường được sử dụng Khi công nghệphát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến Nam châm Ferrite rẻ hơnnhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp Trong khi đó, vật liệu hợpkim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của rotornhưng vẫn đạt được momen tương tự Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor cónam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite

7

8 Rotor lõi tròn với nam

-châm đặt trên bề mặt

Rotor lõi tròn với namchâm hình chữ nhật đượcđặt trong rotor

Rotor lõi tròn, nam châmhình chữ nhật chèn vàotrong 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 dâycủa stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Đểđộng cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự Tức là tại một thờiđiểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trícủa rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điều quan trọng là cần phảibiết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấpđiện theo thứ tự cấp điện Vị trí của rotor được xác định bằng nhiều cách khác nhaunhư phương pháp điện từ; phương pháp quang điện và phương pháp sử dụng cảmbiến 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 lợicho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vaitrò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toánhọc Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn đề trong quá trình tínhtoán 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 cácphần tử điện cơ bản Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong động cơ MCKCTbao gồm 3 cuộn dây stator được ước lượng bởi điện trở Ra và điện cảm La, do 3cuộn dây của stator được đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộndây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây được thể hiện qua đại lượng M Mặtkhác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửa nên khi rotor quay sẽ quét quacuộn 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 trởcao 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:

e e

Đặt s là toán tử Laplace, khi đó di/dt = i.s

Phương trình của điện áp 3 pha:

M.ia + M.ib = -M.ic (1-5)Kết hợp hai biểu thức (1-3) và (1-5), suy ra:

(1-6)

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

vc 0 0 R ic ec

ic 0 0 1 / Ls

7):

Hình 1.8 Mô hình thu gọn của động cơ MCKCT

Đặt L-M = Ls là điện cảm tương đương của mỗi pha Thay vào biểu thức

(1-s (1-8)

Momen điện từ

Momen điện từ của động cơ MCKCT được tính thông qua các công suất cơ

và công suất điện Do trong động cơ MCKCT ma sát sinh ra chủ yếu giữa trục động

cơ và ổ đỡ nên lực ma sát này nhỏ Thêm vào đó vật liệu chế tạo động cơ cũng làloại 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 được tính theo biểu thức:

Pc = M∙ω (1-9)

Công suất điện được tính theo biểu thức:

P đ = e a ∙i a + e b ∙i b + e c ∙i c (1-10)

Cân bằng công suất ở hai biểu thức trên:

M∙ω = e a ∙i a + e b ∙i b + e c ∙i c (1-11)

Momen quán tính của tải: Jc

Như vậy, phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng như sau:

Từ 3 phương trình trên, kết hợp với các phương trình momen điện từ (1-11)

và phương trình động học (1-14), bỏ qua ma sát trong động cơ, sơ đồ khối củađộng cơ MCKCT được trình bày như trong hình 1.9

Hình 1.9 Sơ đồ khối của động cơ MCKCT

13 1.1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ MCKCT

-Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ.Công suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ Tuy vậy, ở cùng một giátrị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau thì mối quan hệ giữa hai đại lượng này làkhác nhau

Xét sơ đồ một pha tương đương của động cơ MCKCT trong hình 2.3 gồmnguồn cấp một chiều có độ lớn V, sức phản điện động là E, điện trở cuộn dây là R

và dòng điện mỗi pha ở chế độ xác lập là I Do tại một thời điểm trong động cơMCKCT luôn có 2 pha cùng dẫn nên phương trình cân bằng điện áp của động cơ ởthời điểm xác lập như sau:

V = 2∙E + 2∙R.I (1-20)

Hình 1.10 Sơ đồ một pha tương đương của động cơ MCKCT

14

-Ta có biểu thức công suất điện:

P đ = e a ∙i a + e b ∙i b + e c ∙i c = 2∙E∙I (1-21)

Biểu thức về công suất cơ:

sức phản điện động trên, E là giá trị đo theo đỉnh - đỉnh Vì vậy, biên độ củasức phản điện động phải là E/2 Cân bằng các phương trình (1-21) và (1-22) kếthợp với biểu thức sức phản điện động, ta được:

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

1.2 Hệ truyền độngđộng cơ điện một chiều không chổi than

1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)

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

Hình 1.13 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

Hình 1.12 minh hoạ một động cơ MCKCT ba pha đơn giản, động cơ này sửdụng cảm biến quang học làm bộ phận xác định vị trí rotor Như biểu diễn trên hình1.13, cực Bắc của rotor đang ở vị trí đối diện với cực lồi P2 của stator,phototransistor PT1 được chiếu sáng, do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (Base) củatransistor Tr1 làm cho Tr1 mở Ở trạng thái này, cực Nam được tạo thành ở cực lồiP1 bởi dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 đã hút cực Bắc của rotor làm cho rotorchuyển động theo hướng mũi tên

Khi cực Bắc của rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 của stator,lúc này màn chắn gắn trên trục động cơ sẽ che PT1 và PT2 được chiếu sáng, Tr2

mở, dòng I2 chảy qua Tr2 Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và tạo ra cựcNam trên cực lồi P2 thì cực Bắc của rotor sẽ quay theo chiều mũi tên đến vị trí đốidiện với cực lồi P2 Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 và phototransistor PT3được chiếu sáng Lúc này chiều củadòng điện có chiều từ W2 sang W3 Vì vậy, cực

lồi P2 bị khử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại được kích hoạt và tạo thành cựclồi Do đó, cực Bắc của rotor di chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằngcách lặp lại các chuyển mạch như vậy theo thứ tự cho ở hình 1.25, rotor nam châmvĩnh cửu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục.

1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)

Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trênstator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trongđộng cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tửdùng các bóng transistor công suất được điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor

Hình 1.14 Chuyển mạch hai cực tính của động cơ MCKCT

Về bản chất, chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 vanchuyển mạch được bố trí trên hình 1.16 Trong đó 6 chuyển mạch là các van côngsuất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng vanMOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thường dùng vanIGBT Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn thì các diodeđược mắc song song với các van Để điều khiển các van bán dẫn của chuyển mạchđiện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để đảm bảo sự thayđổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành gópchổi than của động cơ một chiều thông thường

18

-1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ một chiều không chổi than gồmcấu trúc, một số khái niệm về các thông số điện của động cơ, các yêu cầu cần thiếtkhi lựa chọn động cơ và ưu nhược điểm của động cơ MCKCT so với một số loạiđộng cơ khác Có thể thấy, ngoại trừ các nhược điểm về giá cả và độ phức tạp trongđiều khiển, động cơ MCKCT là một loại động cơ phù hợp với rất nhiều yêu cầu đòihỏi độ chính xác và yêu cầu momen cao Nó có thể thỏa mãn các ứng dụng từdải công suất thấp cỡ vài W đến công suất lớn cỡ hàng trăm KW Vì vậy động cơMCKCT đang trở nên ngày càng phổ biến trong cả dân dụng và công nghiệp.Động

cơ một chiều thông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên nhượcđiểm lớn nhất của nó là trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch dòng điện cơ khí đó là

cổ góp và chổi than Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt làtrong các truyền động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khíkhông thể đáp ứng được Động cơ MCKCT đã khắc phục được nhược điểm này, do

đó đã mở ra nhiều hướng ứng dụng mới cho loại động cơ này

19

-CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

2.1 Đặc điểm khi làm việc và phương pháp xác định vị trí roto

2.1.1 Đặc điểm khi làm việc

Như các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông thường, động cơMCKCT cũng sử dụng nguồn điện 3 pha để tạo từ trường quay Tuy nhiên động cơMCKCT sử dụng dòng điện một chiều được điều khiển bằng các khóa công suất đểtạo điện áp một chiều 3 pha lệch nhau 1200

Việc điều khiển các khóa công suất để cấp nguồn cho động cơ MCKCT dựatrên nguyên tắc xác định vị trí rotor và điều khiển dòng điện phần ứng cho phù hợpvới vị trí đó Do đó muốn động cơ MCKCT hoạt động phải có thiết bị xác định vị trírotor như Encoder hoặc cảm biến từ trường Hall Cảm biến này sẽ gửi tín hiệu vị trírotor về bộ điều khiển để quyết định đóng ngắt dòng điện một chiều chạy qua cáccuộn dây của các pha tương ứng với vị trí của rotor lúc đó

Bộ điều khiển đóng cắt các van công suất cấp nguồn cho động cơ có cấu tạogiống như một bộ nghịch lưu ba pha thông thường tuy nhiên dòng điện ra là dòngđiện không đổi một chiều Tại một thời điểm làm việc bộ điều khiển chỉ cho dòngđiện một chiều chạy qua hai cuộn dây của hai pha tương ứng với vị trí của rotor lúcđó

Như vậy để động cơ làm việc được bắt buộc phải xác định được vị trí rotocủa động cơ tại mỗi thời điểm trong quá trình hoạt động Sau đây ta đi phân tíchmột số phương pháp xác định vị trí roto trong động cơ MCKCT

2.1.2 Phương pháp xác định vị trí rotor

2.1.2.1 Phương pháp dùng cảm biến từ trường Hall

Đây là phương pháp tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được dựa trên hiệuứng Hall Đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ

20 trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vậtdẫn theo hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn Số lượng các điện tích bị đẩy về

-t n u.edu vn/

Số hóa bởi Trung tâm Học

liệu

21 một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường Điều này dẫn đến xuấthiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khảnăng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall Minh họa sơ đồ nguyên lý của cảm biếnHall như hình 2.1, cách bố trí của cảm biến Hall trong động cơ MCKCT như hình 2.2

-Hình 2.1 Hiệu ứng Hall

Hình 2.2 Động cơ một chiều không chổi than - cấu trúc nằm ngang

Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng yên của động cơ Các cảm biếnHall thông thường được gắn trên mạch in và cố định trên nắp đậy động cơ Dựa trên

vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến Các cảm biến Hall có thểđược đặt lệch nhau các góc 60o hoặc 120o tùy thuộc vào số đôi cực Dựa vào điềunày, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch mà cần phảithực hiện trong quá trình điều khiển động cơ

2.2.2 Phương pháp không sử dụng cảm biến

Đây là phương pháp ước lượng từ thông rotor để điều khiển các khóa đóngcắt thay cho tín hiệu cảm biến Hall Do đó phương pháp này gọi là phương pháp

Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến:

- Ước lượng vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ

- Ước lượng vị trí rotor dùng các thông số của động cơ, các giá trị điện áp vàdòng điện trên động cơ Phương pháp này đòi hỏi phải tính toán phức tạp để tínhtoán các thông số Phương pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển và giá thànhcao

Phương pháp ước lượng vị trí rotor dựa và thời điểm qua zero của sức điệnđộng phải có một điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua zero của sức điệnđộng Điểm trung tính có thể là trung tính thật hoặc trung tính ảo

Điểm trung tính ảo trên lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của cáccuộn dây đấu hình Y Tuy nhiên điểm trung tính không phải là điểm cố định Điện

áp của điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn Trongkhi điều chế PWM, tín hiệu PWM chồng chất lên điện áp trung tính, gây ra nhiễurất lớn trên tín hiệu cảm biến Để lấy tín hiệu chuẩn ta cần mạch lọc nhiễu cho cảmbiến, điều này gây trễ không cần thiết cho tín hiệu cảm biến Đặc biệt là lúc động cơkhởi động tín hiệu nhận được rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác Do vậyphương pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính khởiđộng nhỏ

Đề tài sử dụng phương pháp điều khiển có cảm biến và sử dụng cảm biếnHall để xác định vị trí rotor trong điều khiển động cơ MCKCT

2.1.3 Cảm biến Hall

Tín hiệu để điều khiển là tín hiệu số có dạng nhị phân 1/0 do đó cảm biếnđều được chế tạo tích hợp trong một IC và dạng điện áp đầu ra của cảm biến có