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

Động cơ 1 chiều không chổi than (BLDC) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực… 69 trang · Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng · 2020.

• 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

Mục lục chi tiết

• Lời mở đầu
• 1. CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN (BDLC) VÀ TRUYỀN ĐỘNG CÓ CẢM BIẾN
• 2. CHƯƠNG 2: PHÁT HIỆN EMF TRỰC TIẾP CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG CẢM BIẾN
• 2.1. CÁC CHƯƠNG TRÌNH PHÁT HIỆN EMF TRỞ LẠI THÔNG THƯỜNG
• 2.2. ĐỀ XUẤT PHÁT HIỆN TRỰC TIẾP EMF
• 2.3. TRIỂN KHAI PHẦN CỨNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN EMF ĐƯỢC ĐỀ XUẤT
• 2.4. CÁC DẠNG SÓNG THÍ NGHIỆM CƠ BẢN
• 2.5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG VÍ DỤ : BƠM NHIÊN LIỆU
• 3. CHƯƠNG 3: MẠCH CẢI TIẾN PHÁT HIỆN EMF TRỰC TIẾP SỨC PHẢN ĐIỆN ĐỘNG
• 3.1. QUAY LẠI PHÁT HIỆN EMF TRONG THỜI GIAN PWM
• 3.2. MẠCH CẢI TIẾN CHO CÁC ỨNG DỤNG TỐC ĐỘ THẤP/ ĐIỆN ÁP THẤP
• 3.2.1. Không đối xứng của tín hiệu EMF
• 3.2.2. Mạch cải thiện hiện EMF cho các ứng dụng tốc độ thấp
• 3.2.3. Mạch tiền điều hòa để điều chỉnh tín hiệu EMF không đối xứng
• 3.3. MẠCH CẢI TIẾN CHO CÁC ỨNG DỤNG ĐIỆN ÁP CAO
• 4. CHƯƠNG 4: KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ VỚI SƠ ĐỒ KHÔNG CẢM BIẾN VÀ NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI
• 4.1. THIẾT LẬP THỬ NGHIỆM
• 4.2. THỦ TỤC ĐIỀU CHỈNH KHỞI ĐỘNG
• 4.3. NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI

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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền sản xuất công nghiệp và các ứng dụng dân dụng hiện đại, nhu cầu chuyển dịch từ các hệ truyền động động cơ truyền thống sang các hệ thống điều khiển điện tử hiệu suất cao đang diễn ra mạnh mẽ. Các loại động cơ truyền thống như động cơ xoay chiều một pha (pha tách, khởi động tụ, chạy tụ) hay động cơ một chiều có chổi than bộc lộ nhiều hạn chế lớn: hiệu suất năng lượng không cao, gây tiếng ồn, khó mở rộng tính năng và đặc biệt là độ bền cơ học bị giới hạn do sự mài mòn của chổi than và vành góp. Điển hình trong ngành công nghiệp ô tô, động cơ bơm nhiên liệu loại có chổi than chỉ có tuổi thọ thiết kế khoảng 6.000 giờ (tương đương chưa đầy một năm sử dụng ở một số đội xe vận tải chuyên dụng), trong khi động cơ một chiều không chổi than (BLDC) có thể đạt tuổi thọ khoảng 15.000 giờ, tăng độ bền lên gần gấp 3 lần. Xu hướng này cùng các quy chuẩn tiết kiệm năng lượng khắt khe đã thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh chóng của thị trường truyền động điện tử, với tốc độ tăng trưởng kép dự báo đạt 26% hàng năm trong giai đoạn 2000–2005.

Mặc dù động cơ BLDC sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội về mật độ công suất, hiệu suất và độ tin cậy, việc điều khiển loại động cơ này đòi hỏi phải xác định chính xác vị trí rotor để thực hiện chuyển mạch điện tử đồng bộ. Phương pháp điều khiển có cảm biến truyền thống (sử dụng cảm biến Hall, bộ phân giải resolver) gặp phải những trở ngại kỹ thuật đáng kể:

• Cảm biến Hall rất nhạy cảm với nhiệt độ, thường bị giới hạn hoạt động dưới 75°C.
• Việc lắp đặt cảm biến làm tăng kích thước cơ khí, tăng số lượng dây dẫn và giảm độ tin cậy trong các môi trường làm việc khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm, rung lắc hoặc ngập trong nhiên liệu).
• Trong nhiều cấu trúc động cơ kín, việc bố trí cơ khí cho cảm biến là không khả thi.

Để khắc phục vấn đề này, các phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless) dựa trên việc xác định sức phản điện động (Back-EMF) đã được phát triển. Tuy nhiên, các kỹ thuật kinh điển dựa trên việc tạo điểm trung tính ảo (virtual neutral point) thường gặp phải nhược điểm: điện áp điểm trung tính dao động liên tục từ 0V đến điện áp thanh cái một chiều (DC bus), tạo ra điện áp chế độ chung (common-mode voltage) lớn và nhiễu tần số cao do băm xung PWM. Hệ quả là mạch đo bắt buộc phải sử dụng các bộ chia áp và bộ lọc thông thấp (low-pass filter). Các khâu này làm suy giảm nghiêm trọng biên độ tín hiệu ở vùng tốc độ thấp (khiến việc khởi động khó khăn) và tạo ra độ trễ pha cố định làm sai lệch góc chuyển mạch ở vùng tốc độ cao.

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đào Trọng Đại tập trung giải quyết các nhiệm vụ và câu hỏi nghiên cứu sau:

1. Tổng quan hóa lý thuyết cấu tạo, nguyên lý vận hành và các phương pháp điều khiển truyền động động cơ BLDC không cảm biến.
2. Phân tích mô hình toán học và đánh giá nguyên lý của phương pháp phát hiện trực tiếp sức phản điện động (Back-EMF) từ điện áp đầu cực cuộn dây không dẫn trong thời gian tắt (off-time) của xung PWM, loại bỏ sự phụ thuộc vào điểm trung tính của động cơ.
3. Nghiên cứu giải pháp triển khai phần cứng chuyên dụng trên nền tảng vi điều khiển tín hiệu hỗn hợp 8-bit ST72141 kết hợp vi mạch lái cổng L6385/L6387, ứng dụng cụ thể vào hệ thống bơm nhiên liệu ô tô.
4. Phân tích các giới hạn của phương pháp ở chế độ chu kỳ làm việc 100%, dải tốc độ thấp/điện áp thấp và đề xuất các cấu trúc mạch cải tiến (PWM bổ sung, mạch tiền điều hòa tín hiệu, phát hiện EMF trong thời gian mở PWM).

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ một chiều không chổi than ba pha (BLDC) kích từ nam châm vĩnh cửu và các giải thuật, mạch phần cứng phát hiện sức phản điện động không cảm biến.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết truyền động biến tần 6 bước 120 độ điện, các cấu trúc mạch trích xuất tín hiệu Back-EMF và thử nghiệm điều khiển trên vi điều khiển chuyên dụng cho ứng dụng bơm nhiên liệu ô tô với dải điện áp làm việc từ 6V đến 24V.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có dạng sóng sức phản điện động hình thang và nguyên lý biến tần nguồn áp ba pha điều khiển theo phương thức chuyển mạch 6 bước (six-step commutation).

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Trong chế độ dẫn 120 độ điện, tại mỗi thời điểm luôn có 2 pha dẫn dòng và 1 pha để hở (pha nổi). Chu kỳ dẫn 360 độ điện được chia thành 6 bước nối tiếp: AB, AC, BC, BA, CA, CB. Để tạo ra mô-men quay cực đại và đồng đều, dòng điện các pha phải được chuyển mạch sau mỗi 60 độ điện sao cho cùng pha với sức phản điện động. Thời điểm chuyển mạch tối ưu xảy ra trễ 30 độ điện sau điểm cắt zero (zero-crossing point) của Back-EMF.

Tác giả thiết lập hệ phương trình điện áp pha trong khoảng thời gian tắt của xung PWM (PWM off-time) khi áp dụng PWM ở nhánh van phía trên (high-side). Giả sử pha A và pha B đang dẫn dòng, pha C hở:

• Khi khóa trên pha A tắt, dòng điện tự do chạy qua diode ngược song song với khóa dưới pha A.
• Điện áp điểm trung tính động cơ $v_n$ được xác định qua quan hệ mạch: $$v_n = - \frac{e_a + e_b}{2}$$
• Đối với hệ thống 3 pha đối xứng ($e_a + e_b + e_c = 0$), điện áp đầu cực cuộn dây nổi $v_c$ so với đất (ground) là: $$v_c = e_c + v_n = e_c - \frac{e_a + e_b}{2} = \frac{3}{2} e_c$$

Phương trình trên chứng minh rằng điện áp đầu cực pha hở tỷ lệ thuận trực tiếp với sức phản điện động của chính pha đó và được tham chiếu trực tiếp về đất mà không cần tới điểm trung tính.

Khi xét đến thành phần sóng hài bậc ba ($e_3$), phương trình trở thành: $$v_c = \frac{3}{2} e_c - \frac{e_3}{2}$$ Do điểm cắt zero của sóng hài bậc ba trùng lặp với điểm cắt zero của sóng cơ bản, thành phần sóng hài không làm sai lệch việc xác định thời điểm chuyển mạch.

Khi xét đến sụt áp trên diode ngược ($v_d$) và khóa MOSFET ($v_{mos}$) ở dải điện áp thấp, phương trình điện áp đầu cực chuyển thành: $$v_c = \frac{3}{2} e_c + \frac{v_{mos} - v_d}{2} \approx \frac{3}{2} e_c - \frac{v_d}{2}$$ Lượng sụt áp $v_d/2$ gây ra sự dịch chuyển mức điện áp bù (offset), làm sai lệch vị trí các điểm cắt zero khi biên độ $e_c$ quá nhỏ ở tốc độ thấp.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích lý thuyết giải tích: Thiết lập và giải các phương trình cân bằng điện áp mạch cầu nghịch lưu trong các trạng thái đóng/ngắt van bán dẫn để tìm ra biểu thức tức thời của điện áp đầu cực.
• Phương pháp mô phỏng số: Tác giả sử dụng phần mềm Mathcad để mô phỏng tác động của sụt áp diode đến độ lệch điểm cắt zero của dạng sóng Back-EMF ở vùng tốc độ thấp.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc dạng sóng thực tế trên mô hình phần cứng sử dụng dao động ký số, so sánh tương quan giữa tín hiệu chuyển mạch ước lượng từ Back-EMF với tín hiệu cảm biến vị trí Hall thực tế; thử nghiệm khởi động và kiểm tra dải tốc độ quay trên động cơ 4 cực.

Nguồn dữ liệu

• Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm đo dạng sóng điện áp đầu cực, điện áp Back-EMF, tín hiệu so sánh cắt zero và dòng điện pha trên các động cơ thử nghiệm.
• Thông số kỹ thuật từ tài liệu của nhà sản xuất vi điều khiển (STMicroelectronics) cho các vi mạch ST72141, ST7MC và vi mạch lái L6385, L6387.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án đã trình bày chi tiết giải pháp phần cứng và cấu trúc vi điều khiển chuyên dụng để hiện thực hóa phương pháp phát hiện Back-EMF trực tiếp.

Kiến trúc phần cứng điều khiển nhúng

Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8-bit chuyên dụng ST72141, tích hợp khối macro phần cứng điều khiển động cơ với 4 module chức năng:

1. Bộ phát hiện điểm cắt zero Back-EMF: Thực hiện lấy mẫu đồng bộ tín hiệu điện áp pha trong khoảng thời gian tắt của PWM; tín hiệu sau khi qua bộ ghép kênh được kẹp áp ở mức 5V bằng diode và so sánh với điện áp tham chiếu cố định gần 0V.
2. Trình quản lý độ trễ (Delay Manager): Bao gồm các bộ định thời (timer) và bộ nhân phần cứng 8x8 bit, cho phép tạo trễ chính xác góc 30 độ điện từ điểm cắt zero đến thời điểm phát xung chuyển mạch.
3. Trình quản lý PWM (PWM Manager): Thiết lập cấu hình điều khiển theo chế độ dòng điện (current mode) hoặc chế độ điện áp (voltage mode).
4. Trình quản lý kênh (Channel Manager): Phân phối chuỗi xung kích 6 bước tới các cổng logic điều khiển van nghịch lưu.

Tín hiệu điều khiển được đưa qua vi mạch lái cổng công suất L6385/L6387 để kích mở 6 van MOSFET của cầu nghịch lưu 3 pha.

Các mạch chức năng phụ trợ và cải tiến

• Mạch bơm sạc (Charge Pump): Được thiết kế cho ứng dụng bơm nhiên liệu ô tô với nguồn ắc quy dao động từ 6V đến 24V. Khi vi điều khiển phát hiện điện áp nguồn sụt dưới 8V (dưới ngưỡng mở tin cậy của IC lái L6387 là 6,5V), mạch bơm sạc được kích hoạt để nâng áp cấp nguồn cho tầng lái cổng.
• Mạch tiền điều hòa tín hiệu (Pre-conditioning Circuit): Bổ sung bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) để khuếch đại tín hiệu Back-EMF ở dải tốc độ thấp, làm dốc đường đặc tính tại lân cận điểm cắt zero và bù trừ điện áp rơi $v_d$ của diode.
• Kỹ thuật PWM bổ sung (Complementary PWM): Bật mở khóa MOSFET bên dưới trong khoảng thời gian dòng tự do (chỉnh lưu đồng bộ), ép dòng chạy qua kênh dẫn MOSFET thay vì qua diode body, loại bỏ hoàn toàn điện áp offset $-v_d/2$.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than

Chương này giới thiệu cấu trúc cơ khí, nguyên lý điện từ và đặc tính của động cơ BLDC. Động cơ gồm stator chứa các cuộn dây 3 pha nối hình sao (Y) và rotor gắn nam châm vĩnh cửu. Dòng điện pha dạng hình chữ nhật kết hợp với sức phản điện động hình thang tạo ra mô-men xoắn phẳng. Tác giả chỉ ra nhược điểm của các hệ thống dùng cảm biến vị trí cơ học và phân tích tổng quan các cách tiếp cận không cảm biến: phương pháp dựa trên thông số động cơ (yêu cầu bộ xử lý DSP phức tạp, đắt tiền) và phương pháp đo Back-EMF. Các hạn chế của việc đo Back-EMF thông qua điểm trung tính ảo (độ trễ lọc, suy giảm biên độ) cũng được đặt ra làm tiền đề cho các chương sau.

Chương 2: Phát hiện EMF trực tiếp cho truyền động động cơ BLDC không cảm biến

Tác giả trình bày phương pháp phát hiện trực tiếp sức phản điện động bằng cách áp dụng xung PWM ở khóa phía trên và lấy mẫu điện áp cuộn dây hở tại thời điểm khóa tắt. Phân tích toán học chứng minh điện áp đầu cực pha hở đo trực tiếp so với đất bằng $1,5 e_c$ mà không chịu ảnh hưởng của điện áp chế độ chung. Chương này mô tả cấu tạo khối macro trên chip ST72141 và kết quả thực nghiệm:

• Tín hiệu cắt zero có độ phân giải tốt ngay cả khi biên độ đỉnh của Back-EMF dưới 1V.
• Thời điểm chuyển mạch đo được trùng khớp với vị trí xác định bằng cảm biến Hall.
• Động cơ 4 cực thử nghiệm đạt tốc độ quay lên đến 30.000 vòng/phút tại tần số băm xung 18 kHz (tần số cơ bản 1 kHz, đảm bảo điều kiện tối thiểu 3 mẫu lấy mẫu trong một bước chuyển mạch).
• Ứng dụng cụ thể cho bơm nhiên liệu ô tô: hệ thống tích hợp mạch bơm sạc hoạt động từ 6V, khởi động êm và đạt trạng thái đồng bộ trong vòng 150 ms (khi biên độ đỉnh Back-EMF chỉ đạt 0,5V).

Chương 3: Mạch cải tiến phát hiện trực tiếp sức phản điện động

Chương 3 tập trung giải quyết hai giới hạn kỹ thuật của phương pháp cơ bản:

1. Giới hạn chu kỳ làm việc 100%: Khi điều khiển ở tốc độ tối đa không còn khoảng thời gian tắt (PWM off-time), tác giả phân tích phương pháp đo Back-EMF ngay trong thời gian mở (PWM on-time). Điện áp đầu cực lúc này bằng $v_c = 1,5 e_c + V_{dc}/2$. Bằng cách so sánh $v_c$ với mức ngưỡng $V_{dc}/2$, hệ thống xác định được điểm cắt zero mà không cần thời gian nghỉ của xung, tính năng này được thương mại hóa trên dòng vi điều khiển ST7MC.
2. Hiện tượng mất đối xứng ở tốc độ thấp/điện áp thấp: Do sụt áp trên diode ngược ($v_d$), dạng sóng đo được bị dịch mức âm khiến điểm cắt zero bị lệch. Tác giả mô phỏng Mathcad và đưa ra hai giải pháp: sử dụng thuật toán PWM bổ sung để triệt tiêu sụt áp diode và thiết kế mạch tiền điều hòa dùng Op-Amp để bù áp và tăng độ dốc tín hiệu.

Chương 4: Tìm hiểu phương pháp điều khiển động cơ với sơ đồ không cảm biến

Chương này tổng kết các quy trình thiết lập thử nghiệm và thủ tục điều chỉnh quá trình khởi động động cơ không cảm biến từ trạng thái đứng yên (quay vòng hở tăng dần tần số) đến khi đủ điều kiện chuyển sang chế độ vòng kín đồng bộ hóa theo điểm cắt zero của Back-EMF, đồng thời vạch ra các hướng nghiên cứu hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

Các kết quả thực nghiệm và tính toán định lượng được ghi nhận trong văn bản bao gồm:

Chỉ số / Đặc tính	Phương pháp truyền thống (Trung tính ảo)	Phương pháp đề xuất trong đồ án (ST72141/ST7MC)
Điểm tham chiếu tín hiệu	Điểm trung tính ảo (dao động 0 – $V_{dc}$)	Nối đất trực tiếp (Ground)
Ảnh hưởng điện áp chế độ chung	Rất cao, đòi hỏi mạch chia áp lớn	Bị triệt tiêu hoàn toàn
Yêu cầu mạch lọc	Bắt buộc dùng bộ lọc thông thấp (gây trễ pha)	Không sử dụng bộ lọc (lấy mẫu đồng bộ tức thời)
Biên độ Back-EMF tối thiểu để nhận biết	Cần biên độ lớn do tín hiệu bị suy giảm	Nhận biết chính xác ở mức 0,5V – 1,0V
Thời gian khởi động bơm nhiên liệu	Chậm, khó đồng bộ ở tốc độ thấp	Hoàn thành khởi động trong vòng 150 ms (đáp ứng yêu cầu < 200 ms)
Dải điện áp làm việc (Bơm nhiên liệu)	Hẹp, phụ thuộc ngưỡng kích van	6V – 24V (nhờ tích hợp mạch bơm sạc tự kích khi $V_{dc} < 8\text{V}$)
Tốc độ làm việc cực đại	Bị giới hạn do trễ pha bộ lọc	Đạt 30.000 vòng/phút trên động cơ 4 cực (tần số băm xung 18 kHz)
Khả năng đạt chu kỳ làm việc 100%	Có thể hỗ trợ	Đạt được khi chuyển sang chế độ đo Back-EMF trong PWM on-time

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

• Làm rõ bản chất toán học: Chứng minh điện áp đầu cực cuộn dây không dẫn trong khoảng thời gian tắt của PWM phản ánh chính xác $1,5$ lần sức phản điện động và chứng minh thành phần sóng hài bậc ba không ảnh hưởng đến vị trí cắt zero.
• Đề xuất giải pháp mạch hoàn chỉnh: Tích hợp phương pháp lấy mẫu đồng bộ trực tiếp vào vi điều khiển 8-bit ST72141, kết hợp các giải pháp phụ trợ như mạch bơm sạc nguồn thấp áp và mạch tiền điều hòa Op-Amp.
• Đóng góp ứng dụng: Giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển truyền động bơm nhiên liệu trong công nghiệp ô tô với khả năng khởi động nhanh dưới 150 ms và mở rộng tuổi thọ hệ thống lên gấp gần 3 lần so với động cơ có chổi than.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:

  • Theo nhận xét của giảng viên hướng dẫn, nội dung đồ án chủ yếu mang tính chất tìm hiểu, tổng hợp và tham khảo từ các công trình đã công bố; văn phong chuyển ngữ từ tài liệu tiếng Anh ở một số đoạn còn chưa thật sự chuẩn xác và tự nhiên.
  • Phương pháp đo trong thời gian tắt (PWM off-time) thuần túy không thể hoạt động khi chu kỳ điều chế đạt 100%, đòi hỏi phải chuyển đổi cấu trúc đo sang chế độ so sánh với ngưỡng $V_{dc}/2$.
  • Ở tốc độ cực thấp, biên độ Back-EMF rất bé và độ dốc tại điểm cắt zero rất thoải, dễ bị ảnh hưởng bởi điện áp offset và trễ của bộ so sánh nếu không có mạch tiền điều hòa hỗ trợ.

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Ứng dụng các dòng vi điều khiển thế hệ mới hơn như ST7MC để tích hợp sẵn bộ tạo thời gian chết (dead-time generation) bên trong chip, phục vụ việc áp dụng giải thuật PWM bổ sung mà không cần linh kiện ngoài.
  • Tối ưu hóa thuật toán khởi động vòng hở chuyển tiếp sang vòng kín để giảm thiểu hơn nữa hiện tượng giật cục mô-men tại thời điểm hòa đồng bộ.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

• Ngành đào tạo: Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất, Kỹ thuật ô tô và Hệ thống nhúng.
• Phần nội dung có giá trị ứng dụng cao:
  • Các bước thiết lập mô hình mạch tính toán điện áp cuộn dây hở ở Chương 2 và Chương 3.
  • Sơ đồ khối chức năng và nguyên lý phân phối tín hiệu của khối macro điều khiển động cơ trên chip ST72141.
  • Thiết kế mạch bơm sạc (charge pump) xử lý sụt áp nguồn cấp và mạch tiền điều hòa tín hiệu Back-EMF cho các hệ truyền động làm việc ở điện áp thấp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp phát hiện Back-EMF trực tiếp lại loại bỏ được ảnh hưởng của điện áp chế độ chung?
Trả lời: Do mạch chỉ tiến hành lấy mẫu điện áp đầu cực của pha hở trong khoảng thời gian tắt của xung PWM (khi dòng tự do khép mạch qua van phía dưới) và tín hiệu đo được so sánh trực tiếp với điểm đất (ground) của hệ thống thay vì so sánh với điểm trung tính động cơ, do đó triệt tiêu hoàn toàn sự dao động thế của điểm trung tính.

2. Thành phần sóng hài bậc ba trong sức phản điện động có làm sai lệch thời điểm chuyển mạch không?
Trả lời: Không. Phân tích toán học và kết quả thực nghiệm cho thấy mặc dù sóng hài bậc ba ($e_3$) xuất hiện trong biểu thức điện áp đầu cực ($v_c = 1,5 e_c - 0,5 e_3$), nhưng điểm cắt qua mức zero của sóng hài bậc ba trùng khớp hoàn toàn với điểm cắt zero của sóng cơ bản, do đó không gây sai lệch góc chuyển mạch.

3. Nguyên nhân nào gây ra sự mất đối xứng của tín hiệu Back-EMF ở dải tốc độ thấp và cách xử lý?
Trả lời: Ở dải tốc độ thấp và điện áp thấp, sụt áp thuận trên diode ngược ($v_d$) không thể bỏ qua, tạo ra một lượng điện áp bù âm xấp xỉ $-v_d/2$ làm dịch chuyển điểm cắt zero. Tác giả đề xuất khắc phục bằng phương pháp PWM bổ sung (dẫn kênh MOSFET thay cho diode) hoặc sử dụng mạch tiền điều hòa dùng Op-Amp để bù điện áp rơi.

4. Điều kiện để hệ thống đạt được tốc độ quay 30.000 vòng/phút trên động cơ 4 cực là gì?
Trả lời: Hệ thống yêu cầu tối thiểu 3 mẫu lấy mẫu Back-EMF trong mỗi bước chuyển mạch (tương đương tần số cơ bản tối đa bằng $F_s/18$). Với tần số băm xung $F_s = 18\text{ kHz}$, tần số cơ bản đạt $1\text{ kHz}$, cho phép động cơ 4 cực vận hành ổn định ở tốc độ tối đa 30.000 vòng/phút.

5. Mạch bơm sạc (charge pump) trong ứng dụng bơm nhiên liệu giải quyết vấn đề gì?
Trả lời: Mạch giải quyết hiện tượng sụt áp ắc quy xuống 6V (dưới ngưỡng điện áp vận hành tối thiểu 6,5V của IC lái L6387). Khi vi điều khiển phát hiện điện áp nguồn dưới 8V, mạch bơm sạc sẽ tự động kích hoạt để nâng áp cấp nguồn nuôi cho tầng kích cổng, đảm bảo bơm nhiên liệu khởi động tin cậy dưới 150 ms.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đào Trọng Đại đã trình bày một cách có hệ thống cơ sở lý thuyết và giải pháp kỹ thuật điều khiển không cảm biến cho động cơ BLDC dựa trên nguyên lý phát hiện trực tiếp sức phản điện động trong thời gian tắt của xung PWM. Bằng việc phân tích toán học và kiểm chứng thực nghiệm trên vi điều khiển chuyên dụng ST72141, tác giả đã chứng minh tính ưu việt của phương pháp trong việc loại bỏ nhiễu chế độ chung, mở rộng dải tốc độ và nâng cao độ nhạy khởi động. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn rõ nét thông qua mô hình ứng dụng điều khiển bơm nhiên liệu ô tô hoạt động ổn định trong dải điện áp rộng từ 6V đến 24V.

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.