Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG 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
Thái Nguyên – 2014
- i -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Trƣờng Cao đẳng Nghề Cơ điện Phú Thọ
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự
hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết
quả nghiên cứu là trung thực.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận văn Hà Việt Dũng
- ii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐCMC Động cơ một chiều
2.1.2. Phƣơng pháp xác định vị trí rotor 19
2.2.2. Phƣơng 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 lƣợng 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 chƣơng 2 45
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 46
3.1. Các thiết bị thực nghiệm 46
- iv -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 3.1.1. Động cơ MCKCT 46
3.1.2. Thiết bị biến đổi năng lƣợng 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
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 thƣ 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 lƣợng 42
- vi -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 lƣợng 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
(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 đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp và dân dụng.
Một điều quan trọng trong hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than
là việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí của từ trƣờng roto. Nhƣ
vậy việc xác định chính xác vị trí roto để điều khiển việc cấp dòng cho cuộn dây
Stato là cần thiết và cũng là hƣớng 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 phƣơng 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.
- viii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển động cơ một chiều không
chổi than.
Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều
không chổi than.
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận:
Phƣơng pháp luận:
cơ một chiều có vành góp thông thƣờng.
1.1.1.1. So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thường
Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ MCKCT và động cơ
một chiều thông
thƣờng hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt
đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ
hiện tại, ta thƣờng đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng 1.1
so sánh ƣu nhƣợc điểm của hai loại động cơ này. Khi nói về chức năng của động cơ
điện, không đƣợc quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá
trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố
một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ
một chiều thông thƣờng, sự đổi chiều đƣợc thực hiện bởi cổ góp và chổi than.
Ngƣợc lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều đƣợc thực hiện bằng
cách sử dụng các thiết bị bán dẫn nhƣ transitor, MOSFET, GTO, IGBT.
- 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Bảng 1.1 So sánh động cơ MCKCT với động cơ một chiều thông thường
Nội dung
Động cơ một chiều
Động cơ MCKCT
Cấu trúc cơ khí
Mạch kích từ nằm trên
stator.
Mạch kích từ nằm trên rotor.
Tính năng đặc
biệt
Đảo chiều điện áp
nguồn
(cấp cho phần
ứng hoặc
mạch kích từ).
Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu
logic.
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 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ MCKCT
Hình 1.2 Sơ đồ khối động cơ MCKCT
Dây quấn stator tƣơng tự nhƣ dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều
pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản
của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết
hợp một vài phƣơng tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo
ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử nhƣ biểu diễn trên hình 1.2. Từ
hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết hợp của
động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển
mạch theo vị trí rotor.
ĐC đồng bộ
- 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 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 tƣơng ứng cũng có dạng hình sin
và hình thang. Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhƣng đắt
hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục. Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn
nhƣng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động
là lớn hơn.
Hình 1.4 Các dạng sức điện động động cơ MCKCT
Động cơ một chiều không chổi than thƣờng có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3
pha. Tƣơng ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào
khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ
nhỏ hơn hoặc bằng 48V đƣợc dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động
a) Sức điện động động cơ MCKCT
hình thang
b) Sức điện động cơ MCKCT
hình sin
động cơ làm việc, cuộn dây của stator đƣợc cấp điện theo thứ tự. Tức là tại một thời
điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí
của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều quan trọng là cần phải
biết vị trí của rotor để tiến tới biết đƣợc cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ đƣợc cấp
điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor đƣợc xác định bằng nhiều cách khác nhau
nhƣ phƣơng pháp điện từ; phƣơng pháp quang điện và phƣơng pháp sử dụng cảm
biến Hall.
1.1.2. Mô hình toán học và phương trình đặc tính cơ của động cơ MCKCT
1.1.2.1. Mô hình toán học của động cơ MCKCT
Mô hình toán học của đối tƣợng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích
mô tả lại đối tƣợng thực tế đó nhƣng dƣới dạng các biểu thức toán học để thuận lợi
cho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế. Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai
trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toán
học. Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn đề trong quá trình tính
toán thiết kế cho động cơ.
Mô hình toán học
Rotor lõi tròn với nam
c
hâm đặt trên bề mặtRotor lõi tròn với nam
châm hình chữ nhật đƣợc
đặt trong rotor
Rotor lõi tròn, nam châm
hình chữ nhật chèn vào
trong lõi rotor
- 8 -
d
d
LiRV
e
d
d
LiRV
e
d
d
LiRV
.
.
.
(1-1)
Đặt s là toán tử Laplace, khi đó di/dt = i.s
Phƣơng trình của điện áp 3 pha:
- 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
00
0 0 . . .
00
a a a a ba ca a a
b b b ab b cb b b
c c c ac bc c c c
v R i L L L i e
v R i s L L L i e
= R,
L
a
=L
b
=L
c
=L,
L
ab
= L
ca
= L
cb
= M.
Do đó:
00
0 0 . . .
00
a a a a
b b b b
c c c c
v R i L M M i e
v R i s M L M i e
v R i M M L i e
(1-3)
Trên hình 1.7 các cuộn dây của stator đấu sao nên:
i
a
1/ ( ) 0 0 0 0
. 0 1/ ( ) 0 . 0 0 .
0 0 1/ ( ) 0 0
a a a a
b b b b
c c c c
i L M v R i e
s i L M v R i e
i L M v R i e
(1-7)
Từ biểu thức (1-7) xây dựng đƣợc mô hình thu gọn của động cơ MCKCT.
Hình 1.8 Mô hình thu gọn của động cơ MCKCT
Đặt L-M = Ls là điện cảm tƣơng đƣơng của mỗi pha . Thay vào biểu thức (1-
7):
1/ 0 0 0 0
. 0 1/ 0 . 0 0 .
0 0 1/ 0 0
a a a a
b b b b
c c c c
i Ls v R i e
s i Ls v R i e
i Ls v R i e
(1-8)
Momen điện từ
Momen điện từ của động cơ MCKCT đƣợc 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
+ e
b
∙i
b
+ e
c
∙i
c
(1-11)
=>
a a b b c c
e i e i e i
M
(1-12)
Biểu thức (1-12) là công thức dùng để tính momen điện từ của động cơ
MCKCT.
Phƣơng trình động học của động cơ MCKCT
Momen quán tính: J
m
Momen ma sát: M
f
Ma sát thƣờng tỷ lệ với tốc độ và đƣợc biểu hiện thông qua hệ số nhớt D theo
biểu thức:
M
f
= D ∙ω
m
(1-13)
Momen tải của động cơ: M
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Sơ đồ cấu trúc của động cơ MCKCT mang tính tổng quát cho một động cơ 3 pha.
Do trong động cơ MCKCT hệ số nhớt là rất nhỏ nên có thể bỏ qua thành phần D
trong các phƣơng trình tính toán. Xuất phát từ biểu thức (1-7), các phƣơng trình
điện đƣợc viết lại nhƣ sau:
1/
()
1
a a a
u
R
i V e
T
(1-17)
1/
()
1
b b b
u
R
i V e
T
(1-18)
1/
()
khác nhau.
Xét sơ đồ một pha tƣơng đƣơng của động cơ MCKCT trong hình 2.3 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 động cơ
MCKCT 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 một pha tương đương của động cơ MCKCT
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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)
M
M E I I K I I
K
(1-24)
Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2-16), ta sẽ có biểu thức
của tốc độ
nhƣ sau:
2. .
e
V R I
K(1-25)
Từ hai biểu thức
(1-24) và
(1-25), ta sẽ có phƣơng trình đặc tính cơ
của động cơ
MCKCT:2
2.
.
ee
VR
M
KK
thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác. động
cơ MCKCT không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế
đánh lửa. Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ MCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn.
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
Copyright: Tài liệu đại học ©