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 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


nghiệp Thái Nguyên – đại học Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Trƣờng cao đẳng nghề 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 có gì sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn Phạm Minh Hải

- ii -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
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

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 dòng 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
- iv -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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. Mô hình thực nghiệm hệ thống 40
3.2. Thực nghiệm 41
3.2.1. Cấu trúc thực nghiệm hệ truyền động ĐCMCKCT 41

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 vòng dòng điện Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 4-Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Error! Bookmark not defined.
- vi -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 dòng 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


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
. Tuy nhiên, điể
ệ :
-
;
- Sinh ra tia lửa điện trong quá 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 không chổi
than là việc cấp dòng 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 toán điều khiển dòng
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 không chổi than.
- ix -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - 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:

trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn 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 công 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 còn gọi là
động cơ một chiều không chổi than (ĐCMCKCT). Do không 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 thông thƣờng.
So sánh ĐCMCKCT với ĐCMC thông thường:
Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của ĐCMCKCT và ĐCMC 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. - 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Nội dung


Phƣơng pháp
xácđịnh
vị trí
rotor

Tự động xác định bằng
chổi than
Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử
Hall,
cảm biến quang học (optical
encoder)
Phƣơng pháp đảo
chiều
Đảo chiều điện áp nguồn
(cấp cho phần ứng hoặc
mạch kích từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu
logic

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 không chổi
than ba
pha điển hình:
- 12 -

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, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác định vị trí
rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ.
Stator:
Khác với động cơ một chiều thông 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 không 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
- 14 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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. Dòng điện pha của động cơ tƣơng ứng cũng có dạng hình sin và hình thang.

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 thông 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. 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
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
- 16 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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


Hình 1. 7 Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT
Từ mô hình mạch điện của động cơ thì phƣơng trình điện áp của một pha:

c
t
i
ccc
b
t
i
bbb
a
t
i
aaa
e
d
d
LiRV
e
d
d
LiRV
e
d
d
LiRV
.
.

, R
b
, R
c
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 .
- 18 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 1.23 các cuộn dây của stator đấu sao nên:
i
a
+ i

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 ĐCMCKCT.

Hình 1. 8 Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT
- 19 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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
(2-8)

Momen điện từ
Momen điện từ của ĐCMCKCT đƣợc tính thông qua các công 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

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
c
; Momen quán tính của tải : J
c
- 20 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Nhƣ vậy, phƣơng trình động học tổng quát của động cơ có dạng nhƣ sau: ()
mc
d
M J J D Mc
dt
(1-14)
Đặt J = J

(1-17)

1/
()
1
b b b
u
R
i V e
T
(1-18)

1/
()
1
c c c
u
R
i V e
T
(1-19)
Trong đó T
ƣ
=L
ƣ
/R
ƣ
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

= M
∙
ω
(1-22)
Biểu thức về sức phản điện động:
E = K
e
∙
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 công 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:

.
. 2. . 2. . . .
2
e
e
e
K
M
M E I I K I I
K


lý tƣởng. Lúc đó, dòng điện bằng 0.

0
e
V
K
(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).

.
2.
e
mm
VK
M
R
(1-28)
- 23 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu Có thể thấy, dạng của phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông
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 quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác.
ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT có thể đƣợc mở rộng hơn.