Động Cơ 1 Chiều Không Chổi Than và Phương Pháp Điều Khiển Không Cảm Biến

Tài liệu nghiên cứu Động cơ 1 chiều không chổi than và phương pháp điều khiển không cảm biến sử dụng sđđ của động cơ, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Đào Trọng Đại
• Người hướng dẫn: GS. Thân Ngọc Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Động cơ 1 chiều không chổi than và phương pháp điều khiển không cảm biến sử dụng sđđ của động cơ này (BLDC)
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ 1 chiều không chổi than BLDC

Động cơ 1 chiều không chổi than (BLDC) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa. Với thiết kế không có chổi than, động cơ này mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy lớn. Động cơ BLDC được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, từ thiết bị gia dụng đến các hệ thống công nghiệp. Sự phát triển của công nghệ điều khiển đã giúp động cơ này trở nên phổ biến hơn, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và hiệu suất cao.

1.1. Đặc điểm nổi bật của động cơ BLDC

Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và độ bền lớn. Không có chổi than giúp giảm thiểu ma sát và tổn thất năng lượng. Điều này làm cho động cơ BLDC trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và bảo trì thấp.

1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

Động cơ BLDC hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường. Nam châm vĩnh cửu trên rôto và cuộn dây trên stato tạo ra mô-men xoắn. Dòng điện được điều khiển thông qua các công tắc điện tử, giúp động cơ hoạt động hiệu quả mà không cần cảm biến vị trí.

II. Thách thức trong điều khiển động cơ BLDC không cảm biến

Điều khiển động cơ BLDC không cảm biến gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc xác định vị trí rôto. Việc thiếu cảm biến có thể dẫn đến khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn. Các phương pháp điều khiển không cảm biến cần phải được phát triển để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong mọi điều kiện hoạt động.

2.1. Vấn đề xác định vị trí rôto

Xác định vị trí rôto là một trong những thách thức lớn nhất trong điều khiển động cơ BLDC không cảm biến. Việc thiếu thông tin về vị trí có thể dẫn đến việc điều khiển không chính xác, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu đến hiệu suất

Nhiễu trong tín hiệu điều khiển có thể làm giảm hiệu suất của động cơ BLDC. Các phương pháp điều khiển cần phải được thiết kế để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, đảm bảo rằng động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả.

III. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC không cảm biến

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ BLDC không cảm biến, trong đó phương pháp phát hiện EMF là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này cho phép xác định vị trí rôto mà không cần cảm biến, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Phát hiện EMF trong điều khiển không cảm biến

Phát hiện EMF là phương pháp sử dụng điện áp phản hồi từ cuộn dây để xác định vị trí rôto. Phương pháp này giúp giảm thiểu chi phí và tăng độ tin cậy của động cơ, đồng thời cải thiện hiệu suất điều khiển.

3.2. Ưu điểm của phương pháp không cảm biến

Phương pháp điều khiển không cảm biến mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm chi phí lắp đặt và bảo trì. Ngoài ra, nó cũng giúp tăng độ tin cậy của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của động cơ BLDC không cảm biến

Động cơ BLDC không cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ thiết bị gia dụng đến công nghiệp. Các ứng dụng này bao gồm quạt, bơm, và các thiết bị tự động hóa. Sự phát triển của công nghệ đã mở ra nhiều cơ hội mới cho động cơ này trong tương lai.

4.1. Ứng dụng trong thiết bị gia dụng

Động cơ BLDC không cảm biến được sử dụng trong nhiều thiết bị gia dụng như máy giặt, máy hút bụi và quạt. Những ứng dụng này yêu cầu hiệu suất cao và độ tin cậy lớn, điều mà động cơ BLDC có thể đáp ứng.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Trong công nghiệp, động cơ BLDC không cảm biến được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa và robot. Sự chính xác và hiệu suất cao của động cơ này giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất.

V. Kết luận và tương lai của động cơ BLDC không cảm biến

Động cơ 1 chiều không chổi than BLDC không cảm biến đang trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp tự động hóa. Với nhiều ưu điểm vượt trội, động cơ này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng ứng dụng trong tương lai. Các nghiên cứu và cải tiến công nghệ sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của động cơ này.

5.1. Tương lai của công nghệ động cơ BLDC

Công nghệ động cơ BLDC không cảm biến sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều cải tiến về hiệu suất và độ tin cậy. Các nghiên cứu mới sẽ giúp mở rộng ứng dụng của động cơ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Cơ hội và thách thức trong phát triển

Mặc dù có nhiều cơ hội, nhưng việc phát triển động cơ BLDC không cảm biến cũng gặp nhiều thách thức. Cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để giải quyết các vấn đề hiện tại và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Động cơ không chổi than (BLDC) là động cơ mong muốn cho động cơ điều khiển công suất nhỏ do hiệu quả cao, hoạt động im lặng, hình thức nhỏ gọn, độ tin cậy và bảo trì thấp. Tuy nhiên, độ phức tạp điều khiển để điều khiển tốc độ thay đổi và chi phí cao đã không cho phép sử dụng rộng rãi động cơ dc không chổi than. Trong thập kỷ qua, việc tiếp tục phát triển công nghệ trong chất bán dẫn điện, vi xử lý / IC logic, sơ đồ điều khiển tốc độ điều chỉnh (ASDs) và sản xuất động cơ điện không chổi than nam châm vĩnh cửu đã phát triển cho phép giải pháp đáng tin cậy, hiệu quả về chi phí cho phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng các ứng dụng. Thiết bị gia dụng dự kiến sẽ là một trong những thị trường sản phẩm cuối cùng phát triển nhanh nhất cho người lái xe máy điện tử (EMDs) trong năm năm tới [1].

Khối lượng thị trường được dự đoán là tốc độ tăng trưởng kép 26% hàng năm trong năm năm từ 2000 đến 2005 (Xem Hình. Các thiết bị chính trong hình bao gồm máy giặt quần áo, máy điều hòa không khí trong phòng, tủ lạnh, máy hút bụi, máy làm lạnh, v. Máy nước nóng, bơm tản nhiệt nước nóng, dụng cụ điện, dụng cụ mở cửa nhà để xe và các thiết bị thương mại không được bao gồm trong các số liệu này. Theo truyền thống, thiết bị gia dụng thường dựa vào các công nghệ động cơ điện cổ điển lịch sử như cảm ứng xoay chiều một pha, bao gồm pha tách, khởi động tụ điện, các loại chạy tụ điện và động cơ vạn năng.

Những động cơ cổ điển này thường được vận hành ở tốc độ không đổi trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều chính mà không kể đến hiệu suất. Người tiêu dùng hiện nay yêu cầu chi phí năng lượng thấp hơn, hiệu suất tốt hơn, giảm tiếng ồn và nhiều tính năng tiện lợi hơn. Những công nghệ truyền thống không thể cung cấp các giải pháp này. Mặt khác, trong năm gần đây, chính phủ Hoa Kỳ đã đề xuất các tiêu chuẩn 13 hiệu quả năng lượng cao hơn mới cho ngành công nghiệp thiết bị.

Trong tương lai gần, những tiêu chuẩn đó sẽ được áp dụng [2]. Những đề xuất này đưa ra những thách thức và cơ hội mới cho các nhà sản xuất thiết bị. Đồng thời, ngành công nghiệp ô tô và công nghiệp HVAC cũng sẽ chứng kiến sự phát triển bùng nổ phía trước đối với hệ thống động cơ điều khiển điện tử, phần lớn trong số đó sẽ thuộc loại BLDC [3,4]. Ví dụ, hiện nay, bơm nhiên liệu trong xe hơi được điều khiển bởi một động cơ một chiều có chổi than.

Một động cơ bơm nhiên liệu loại có chổi than được thiết kế để làm việc 6.000 giờ vì giới hạn tuổi thọ của chổi than. Trong một số phương tiện hạm đội nhất định, điều này có thể được sử dụng trong vòng chưa đầy 1 năm. Tuổi thọ của động cơ BLDC thường khoảng 15.000 giờ, kéo dài tuổi thọ của động cơ gần gấp 3 lần. Đó là trong tình huống tương tự cho quạt điều hòa không khí và quạt làm mát động cơ.

Người ta hy vọng rằng đòi hỏi hiệu quả cao hơn, hiệu suất tốt hơn sẽ thúc đẩy các ngành công nghiệp áp dụng ASD với tốc độ nhanh hơn bao giờ hết. Hệ thống truyền động động cơ BLDC hiệu quả và chi phí cao sẽ đóng góp lớn cho quá trình chuyển đổi. 70 2500 60 các 2000 đơn vị Hàng triệu đô la Mỹ 50 1500 Hàng triệu đơn 30 1000 20 500 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Hình 1. 1: Thị trường toàn cầu cho các chuyền động động cơ điện tử trong các thiết bị gia dụng.

ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN (BDLC) VÀ TRUYỀN ĐỘNG CÓ CẢM BIẾN Động cơ dc không chổi than [5] là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có nam châm vĩnh cửu trên rôto và hình dạng hình thang sức phản điện động. Động cơ BLDC sử dụng nguồn điện một chiều được chuyển sang cuộn dây pha stato của động cơ bằng các thiết bị đóng ngắt được xác định từ vị trí rôto. Dòng pha của động cơ BLDC, trong hình dạng hình chữ nhật điển hình, được đồng bộ hóa với EMF phía sau để tạo ra mô-men xoắn không đổi ở tốc độ không đổi. Bộ chuyển đổi cơ học của động cơ dc chổi than được thay thế bằng các công tắc điện tử, cung cấp dòng điện cho cuộn dây động cơ như là một hàm của vị trí roto.

Loại động cơ xoay chiều này được gọi là động cơ dc không chổi than, vì hiệu suất của nó tương tự như động cơ dc truyền thống với cổ góp.2 cho thấy cấu trúc của động cơ BLDC. Những động cơ dc không chổi than này thường được điều khiển bằng biến tần ba pha, yêu cầu cảm biến vị trí rôto để khởi động và để cung cấp trình tự chuyển mạch thích hợp để điều khiển biến tần. Những cảm biến vị trí này có thể là cảm biến Hall, bộ phân giải hoặc cảm biến vị trí tuyệt đối. Một hệ thống điều khiển động cơ BLDC điển hình với các cảm biến vị trí được hiển thị trong Hình.

Những cảm biến đó sẽ làm tăng chi phí và kích thước của động cơ, và một sự sắp xếp cơ học đặc biệt cần được thực hiện để gắn các cảm biến. Các cảm biến này, đặc biệt là cảm biến Hall, rất nhạy cảm với nhiệt độ, giới hạn hoạt động của động cơ dưới khoảng 75oC [6]. Mặt khác, chúng có thể làm giảm độ tin cậy của hệ thống vì các thành phần và hệ thống dây điện. Trong một số ứng dụng, thậm chí có thể không lắp được bất kỳ cảm biến vị trí nào trên động cơ.

Vì thế,kiểm soát không cảm biến của động cơ BLDC đã nhận được sự quan tâm lớn trong nhưng năm gần đây. 15 Stator Rôto có nam châm vĩnh cửu (A) Mặt cắt ngang của động cơ dc không chổi than (B) Một hình ảnh của một động cơ dc không chổi than Hình. 2 Cấu trúc của động cơ dc không chổi than 16 (A) (B) Hình 1. Dạng sóng ba pha điển hình trong động cơ BLDC.

Thông thường, một động cơ dc không chổi than được điều khiển bởi một biến tần ba pha được gọi là chuyển mạch sáu bước. Khoảng thời gian tiến hành cho mỗi pha là 120o theo góc điện. Trình tự pha chuyển mạch là AB-AC-BC-BA- 17 CA-CB. Mỗi khoản dẫn điện được gọi là một bước.

Do đó, chỉ có hai pha dẫn dòng điện bất cứ lúc nào, để lại pha thứ ba tự do. Để tạo ra mô-men xoắn cực đại, biến tần phải được chuyển mạch sau mỗi 60o để dòng điện cùng pha với EMF phía sau. Thời gian giao hoán được xác định bởi vị trí rôto, có thể được phát hiện bởi các cảm biến Hall hoặc ước tính từ các thông số động cơ, tức là sức phản điện động EMF(hay suất điện động cảm ứng) trên cuộn dây nỏi của động cơ nếu đó là hệ thống không cảm biến. Về cơ bản, hai loại kỹ thuật điều khiển không cảm biến có thể được tìm thấy trong tài liệu [5,6].

Loại thứ nhất là cảm biến vị trí sử dụng sđđ cảm ứng EMF của động cơ, và loại thứ hai là ước tính vị trí bằng các tham số động cơ, điện áp đầu cuối và dòng điện. Sơ đồ loại thứ hai thường cần DSP để thực hiện tính toán phức tạp và chi phí của hệ thống tương đối cao. Vì vậy, kiểu cảm biến EMF phía sau của sơ đồ không cảm biến là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất, là chủ đề của luận án này. Trong động cơ dc không chổi than, chỉ có hai trong ba pha được kích thích cùng một lúc, để lại cuộn dây thứ tự do.

Điện áp EMF trở lại trong cuộn dây nổi có thể được đo để thiết lập trình tự chuyển mạch cho việc chuyển đổi các thiết bị điện trong biến tần ba pha. Erdman [7] và Uzuka [8] ban đầu đề xuất phương pháp cảm nhận lại EMF (sẽ được gọi là phương pháp phát hiện EMF ngược thông thường trong luận án này) để xây dựng một điểm trung tính ảo, theo lý thuyết, sẽ có cùng điện thế như tâm của một động cơ cuộn dây nối sao và sau đó để cảm nhận hiệu giữa điểm trung tính ảo và điện áp tại pha tự do. Tuy nhiên, khi sử dụng tín hiệu chopper, trung tính không phải là điểm dừng. Điện thế trung tính đang nhảy từ 0 lên đến gần điện áp bus dc, tạo ra điện áp chế độ chung lớn vì trung tính là điểm tham chiếu.

Trong khi đó, tín hiệu PWM cũng được đặt lên trên điện áp trung tính, tạo ra một lượng lớn tín hiệu nhiễu điện trên tín hiệu được cảm nhận. Để cảm nhận sdd cảm ứng đúng cách, nó đòi hỏi rất nhiều sự suy giảm và lọc. Sự chú ý là cần thiết để đưa tín hiệu về phạm vi chế độ chung cho phép của mạch cảm biến, và bộ lọc thông thấp là để làm giảm nhiễu tần số chuyển mạch cao. Lọc gây ra sự chậm trễ không mong muốn trong tín hiệu.

Kết quả là tín hiệu nghèo so với tỷ lệ nhiễu của tín hiệu rất nhỏ, đặc biệt là khi khởi động, nơi cần thiết nhất. Hậu quả là, phương pháp này có xu hướng 18 có phạm vi tốc độ hẹp và đặc điểm khởi động kém. Để giảm nhiễu chuyển mạch, tích hợp EMF phía sau [9] và tích hợp điện áp hài thứ ba [10] đã được giới thiệu. Phương pháp tích hợp có ưu điểm là giảm độ nhạy nhiều đóng ngắt.

Tuy nhiên, chúng vẫn có vấn đề điện áp chúng cao ở điểm trung tính. Một cảm nhận gián tiếp về việc vượt qua 0 pha của EMF bằng cách phát hiện trạng thái dẫn của các điốt tự do trong pha không không làm việc đã được trình bày trong [11]. Việc thực hiện phương pháp này rất phức tạp và tốn kém, trong khi hoạt động tốc độ thấp của nó vẫn còn là một vấn đề. Phương pháp tích hợp có ưu điểm là giảm độ nhạy nhiễu đóng cắt.

Tuy nhiên, họ vẫn có vấn đề điện áp phổ biến cao ở trung tính. Một cảm nhận gián tiếp về việc vượt qua 0 pha của EMF bằng cách phát hiện trạng thái dẫn của các điốt tự do trong pha không làm việc đã được trình bày trong [11]. Việc thực hiện phương pháp này rất phức tạp và tốn kém, trong khi hoạt động tốc độ thấp của nó vẫn còn là một vấn đề. Phương pháp tích hợp có ưu điểm là giảm độ nhạy chuyển đổi tiếng ồn.

Tuy nhiên, họ vẫn có vấn đề điện áp phổ biến cao ở trung tính.