TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN
====o0o====
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KHÔNG CHỔI THAN 30KW
Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh
Giáo viên hướng dẫn : Th.S Võ Duy Thành
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Tuấn Anh
Lớp : TĐH1 - K50
MSSV : 20050093
Hà nội, 6-2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Khóa Khoa/Viện Ngành
1. Đầu đề thiết kế:

2. Các số liệu ban đầu:

Cán bộ hướng dẫn
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày…. tháng …. năm 2010
Người duyệt
( Ký, ghi rõ họ, tên)
Sinh viên
( Ký, ghi rõ họ, tên)
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều
khiển động cơ 1 chiều không chổi than 30KW do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo Th.S Võ Duy Thành. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài
liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự
sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 29 tháng 05 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Tuấn Anh
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Từ khi phát minh ra động cơ điện, với nhiều tính ưu việt nó dần ứng dụng mạnh
mẽ trong công nghiệp lẫn dân dụng. Có thể dễ dàng thấy sự xuất hiện của động cơ này
trong thực tế. Sự phát triển của khoa học kĩ thuật đã phát minh ra nhiều loại động cơ
để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của
con người. Và sự phát triển này cũng đòi nhiều yêu cầu khắt khe hơn dặc biệt trong
công nghiệp như vận hành động cơ trong môi trường khắc nhiêt, dễ cháy nổ, yêu cầu
nghiêm ngặt về chế độ vận hành, điều chỉnh ổn định ở vùng tốc độ cao,…Vì vậy động
cơ một chiều không chổi than ra đời thỏa mãn những lí do trên. Với nhiều ưu điểm
vượt trội như ít gây ồn, làm việc trong môi trường dễ cháy nổ, ít phải bảo dưỡng, hiệu
suất cao, tiết kiệm không gian…Hơn nữa với sự phát triển của vi xử lí cùng với công

chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng… Tuy nhiên, nó cũng tồn
tại một số hạn chế, trong đó có việc hạn chế do sự chuyển mạch bằng cơ cấu chổi
than- vành góp khiến phát sinh ra tiếng ồn và tia lửa điện nên hạn chế làm việc trong
các môi trường làm việc đặc biệt và hoạt động ở tốc độ cao.
Do đó, để có thể sử dụng được các ưu điểm mà động cơ một chiều đem lại cũng
như hạn chế một số các nhược điểm về chuyển mạch của nó, người ta đã chế tạo ra
động cơ một chiều không chổi than (tiếng anh gọi là: Brushless DC motor, gọi tắt là
động cơ BLDC). Do việc không dùng chổi than nên động cơ BLDC không bị giới hạn
bởi sự chuyển mạch như ở động cơ một chiều. Động cơ này có nhiều ưu điểm hơn
động cơ một chiều, trong đó có thể kể tới là:
-Thời gian hoạt động dài, bền: do sử dụng bộ chuyển mạch điện tử động cơ
BLDC không phải thường xuyên bảo dưỡng như động cơ một chiều
-Trong quá trình hoạt động, động cơ BLDC không gây ra nhiễu trong quá trình
chuyển mạch, do đó nó có thể được đặt trong môi trường dễ cháy nổ. Đồng thời, việc
không cần chuyển mạch bằng chổi than- vành góp nên sẽ giúp giảm thiểu được rất
nhiều tiếng ồn khi vận hành, giúp cải thiện môi trường làm việc.
-Dải tốc độ rộng: vùng tốc độ cao đạt tới 100.000 vòng/phút trong khi ở động
cơ một chiều chỉ khoảng 10.000 vòng/phút.
Tuy vậy, động cơ BLDC vẫn còn tồn tại 2 nhược điểm lớn: nhấp nhô mô và
hoạt động trong vùng tốc độ trên định mức.
Để có thể hiểu rõ hơn về các ưu điểm của động cơ BLDC, xin được trình bày cả
cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ một chiều dùng chổi than, để từ đó có cơ sở
để so sánh và thấy được ưu điểm nổi trội của loại động cơ này.
1.2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều dùng chổi than
1.2.1.Cấu tạo của động cơ một chiều dùng chổi than
STATOR
ROTOR
CHỔI
THAN
NGUỒN

trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngoài nhưng vì hoạt
động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi nó như một phần của
động cơ.
1.3.1. Stator của động cơ BLDC
Stator của động cơ BLDC được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện lại với nhau,
quanh chu vi phía trong có sẻ rãnh để đặt dây dẫn.
Các cuộn dây được cấu tạo từ các bối dây nối nối tiếp với nhau, đặt trong các
rãnh đặt dây dẫn của Stator. Sự bố trí khác nhau của các bối dây trong các pha sẽ tạo
nên sự khác nhau về hình dáng của sức phản điện động trong Stator của động cơ.
Thông thường thì động cơ có hai dạng hình dáng của sức phản điện động là dạng hình
sin và dạng hình thang (Hình 1.4 & 1.5)
Các cuộn dây có thể được nối với nhau theo cách đấu sao hoặc đấu tam giác.
Các cuộn dây của động cơ BLDC có thể là hai, ba hoặc nhiều pha nhưng thông dụng
nhất là loại ba pha. Phụ thuộc vào công suất động cơ, có thể chọn động cơ dùng theo tỉ
lệ điện áp tương ứng. Các động cơ công suất nhỏ thường dùng nguồn nhỏ hơn hoặc
bằng 48V, được dùng trong các chuyển động nhỏ, robot… Còn các động cơ có nguồn
trên 100V thường là loại có công suất trung bình và lớn, thường được dùng trong các
thiết bị công nghiệp, tự động hóa…
Hình 1.3.Cấu tạo động cơ BLDC

Hình 1.4.Sức phản điện động hình Sin Hình 1.5.Sức phản điện động hình
thang
1.3.2.Rotor của động cơ BLDC
Rotor của động cơ BLDC được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với số lượng đôi
cực dao động là từ hai đến tám. Ở vùng tốc độ rất cao thì động cơ với số đôi cực là hai
hoặc bốn thường được lựa chọn. Các cực Nam, Bắc được xếp xen kẽ, luân phiên nhau
trên Rotor của động cơ.
Rotor lõi tròn với nam
châm đặt trên chu vi
Rotor lõi tròn với nam

động cơ
Hình 1.7.Cơ chế hiệu ứng Hall
BLDC. Khi Rotor của động cơ BLDC quay, các nam châm được gắn trên đó quay
theo, mỗi khi các cực của nam châm Rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, mật
độ điện tích trong các thanh dẫn trong cảm biến Hall sẽ bị lệch theo một hướng,tùy
theo đó là cực Bắc hay cực Nam (thực chất là tùy theo chiều của từ trường quét qua
thanh dẫn). Việc đo hiệu điện thế giữa hai phía của thanh dẫn sẽ giúp ta biết được cực
nào đang quét qua cảm biến, từ đó có thể xác định được vị trí của Rotor. Tổ hợp các
tín hiệu nhận được từ cảm biến Hall đưa về, sẽ tạo ra được các luật chuyển mạch cho
động cơ.
Hình 1.8.Cấu trúc nằm ngang của động cơ BLDC
Hình 1.8 biểu diễn mặt cắt ngang của một động cơ BLDC với roto có gắn các
nam châm vĩnh cửu.Các cảm biến Hall được gắn vào phần không chuyển động của
động cơ. Do quá trình gắn các cảm biến Hall rất là phức tạp, nên trong một số động cơ
có thể gắn các nam châm phụ phục vụ cho riêng cảm biến Hall: chúng là các phiên bản
thu nhỏ của các nam châm gắn trên Rotor, nên khi trục Rotor quay, chúng cũng đem
lại tín hiệu như tín hiệu của các nam châm gắn trên Rotor.
1.3.4.Bộ chuyển mạch điện tử của động cơ BLDC
Bộ chuyển mạch điện tử về bản chất là bộ nghịch lưu bị động theo sức điện động của
Stator.
Hình 1.9.Bộ chuyển mạch điện tử của động cơ BLDC
Tùy thuộc vào số pha của động cơ mà bộ chuyển mạch điện tử có số van tương
ứng. Hình 1.9 mô tả bộ chuyển mạch của động cơ BLDC ba pha, sử dụng sáu van
công suất IGBT từ T1 đến T6 và các diode D1 đến D6 nhằm bảo vệ van chống điện áp
ngược xuất hiện khi chuyển mạch và trao đổi công suất giữa nguồn và động cơ, tham
gia vào quá trình chuyển mạch. Bộ điều khiển nhận biết tín hiệu từ cảm biến Hall đồng
bộ với suất phản điện động của động cơ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển các van công
suất dẫn theo các luật đã được xác định trước
1.4.Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
1.Nguyên lý hoạt động:

Dòng điện các pha sau bộ
nghịch lưu
1 2 3 A B C
1 0 0 1 T1 T2 DC+ - DC-
2 1 0 1 T3 T2 - DC+ DC-
3 1 0 0 T3 T4 DC- DC+ -
4 1 1 0 T5 T4 DC- - DC+
5 0 1 0 T5 T6 - DC- DC+
6 0 1 1 T1 T6 DC+ DC- -
Bảng 1.2.Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ
Thứ
tự
Giá trị các cảm biến Hall Các van IGBT
dẫn
Dòng điện các pha sau bộ
nghịch lưu
1 2 3 A B C
1 0 0 1 T1 T2 DC+ - DC-
2 0 1 1 T1 T6 DC+ DC- -
3 0 1 0 T5 T6 - DC- DC+
4 1 1 0 T5 T4 DC- - DC+
5 1 0 0 T3 T4 DC- DC+ -
6 1 0 1 T3 T2 - DC+ DC-
Các van sẽ được cấp xung mở theo thứ tự như trên và động cơ sẽ chạy ở tốc độ
định mức với giả thiết là điện áp cấp cho động cơ là điện áp định mức, không kể tổn
thất điện áp rơi trên các van và dây dẫn. Để điều khiển động cơ quay theo tốc độ mong
muốn, có thể làm hai cách:cách thứ nhất sử dụng một van công suất để điều khiển
dòng điện một chiều chảy vào bộ nghịch lưu,cách thứ hai là sử dụng phương pháp điều
chế độ rộng xung
1.5.So sánh động cơ BLDC với một số động cơ khác

linh hoạt trong điều khiển động cơ
Quán tính roto cao hơn nó giới hạn
các đặc tính động lực học
Dải tốc độ Cao hơn-do không bị hạn chế bởi
sự chuyển mạch cơ khí như động
cơ một chiều thông thường
Thấp hơn-do hạn chế về chuyển
mạch bằng cơ cấu chuyển mạch chổi
than-vành góp
Sự phát sinh tiếng
ồn điện
Thấp Hồ quang ở chổi than khi chuyển
mạch sinh ra nhiễu điện ảnh hưởng
tới các thiết bị xung quanh
Giá chế tạo Cao hơn-vì nó có nam châm vĩnh
cửu
Thấp
Điều khiển phức tạp và đắt Đơn giản và rẻ
Các yêu cầu điều
khiển
Luôn phải duy trì hoạt động của bộ
điều khiển vì nếu thiếu thì động cơ
không thể quay được.
Chỉ cần tới bộ điều khiển khi cần
thay đổi tốc độ động cơ trong quá
trình làm việc.
Bảng 1.4.So sánh 1 động cơ BLDC với 1 không đồng bộ
Đặc điểm Động cơ BLDC Động cơ không đồng bộ
Công suất ra/kích
thước cơ cấu

2.1.1.Mô hình toán học của động cơ
Hình 2.1.Mô hình toán học động cơ BLDC
Stator động cơ có ba cuộn dây được cấp nguồn bởi điện áp ba pha có độ lớn lần
lượt là Ua, Ub, Uc. Khi được cấp nguồn, các cuộn dây Stator sinh ra dòng điện, dòng
điện này sinh ra từ trường quay quét qua từ trường của nam châm Rotor. Sự tương tác
giữa hai từ trường của Stator và Rotor của động cơ sẽ làm cho Rotor động cơ quay và
làm xuất hiện trong cuộn dây Stator các sức phản điện động tương ứng là Ea, Eb, Ec.
Giả sử điện trở và điện cảm tương ứng của các pha là Ra, Rb, Rc và La, Lb, Lc. Như
vậy ta sẽ có sơ đồ thay thế như trên hình (2.1).
Phương trình tổng quát được trình bày theo công thức (2.1)










+












=










Ec
Eb
Ea
dtdic
dtdib
dtdia
LcLcbLca
LcbLbLba
LcaLbaLa
ic
ib
ia
Rc
Rb
Ra
Uc
Ub
















+















R
R
R
Uc
Ub
Ua

00
00
00
(2.2)
Ta lại có: ia+ ib+ ic= 0 (luật Kirhoff) cho nên: M.ib+ M.ic= -M.ia. Tương tự cho
các pha khác, thay vào phương trình (2.2) thu được:










+















=










Ec
Eb
Ea
ic
ib
ia
ML
ML
ML
s
ic








−




















−


Ec
Eb
Ea
ic
ib
ia
R
R
R
Uc
Ub
Ua
Ls
Ls
Ls
ic
ib
ia
s
00
00
00
.
/100
0/10
00/1
.
(2.3)
Công thức (2.3) chính là công thức mô tả mô hình động cơ dưới dạng toán học.
2.1.2.Momen điện từ của động cơ BLDC

).(

(2.5)
Trong đó: + M: momen điện từ của động cơ
+ Jm: momen quán tính của động cơ
+ Jc: momen quán tính của tải
+ M
f
=
ω
.D
: momen ma sát với D là hệ số nhớt
+ M
c
: momen tải
Đặt J= Jm+Jc và Laplace hóa phương trình (2.5) thì thu được:
sJ
MDM
c
.
.
−−
=
ω
ω
(2.6)
2.1.4.Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC
Hình 2.2.Sơ đồ thay thế một pha động cơ BLDC
Do đặc điểm động cơ BLDC với các cuộn dây Stator mắc hình sao là tại một thời
điểm luôn có hai pha dẫn, nên công suất điện của động cơ là: