Luận văn: Nghiên cứu điều khiển động cơ BLDC và ứng dụng trong cơ điện tử (ĐH Công Nghệ - ĐHQGHN)

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu điều khiển động cơ BLDC và ứng dụng trong cơ điện tử. Tối ưu hóa hiệu suất, nâng cao độ tin cậy hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Đức Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Mạnh Thắng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu triển khai điều khiển động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motors) và ứng dụng trong lĩnh vực cơ điện tử
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
• 1.1. Giới thiệu động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
• 1.2. Cấu tạo của BLDC
• 1.3. Nguyên lý hoạt động của BLDC
• 1.4. Ứng dụng
• 1.4.1. Trong giao thông
• 1.4.2. Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC
• 1.4.3. Quạt gió và quạt tản nhiệt
• 1.4.4. Thiết kế hiện đại
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
• 2.1. Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC)
• 2.2. Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC)
• 2.3. Điều khiển vòng lặp hở (opened-loop)
• 2.4. Điều khiển vòng lặp kín (closed-loop)
• 2.5. Thuật toán PID
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
• 3.1. Đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ khối xây dựng phần cứng
• 3.2. Các loại IC được sử dụng và đặc điểm của chúng
• 3.2.1. Điện trở shunt và các IC khuếch đại, so sánh
• 3.2.2. MAX232 giao tiếp máy tính
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
• 4.1. Phần mềm MPLAB
• 4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ BLDC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Động Cơ BLDC Ứng Dụng Cơ Điện Tử 55 Ký Tự

Động cơ DC truyền thống, dù hiệu suất cao và đặc tính điều khiển tốt, lại gặp hạn chế bởi chổi than và cổ góp, gây mòn và đòi hỏi bảo trì thường xuyên. Để khắc phục, động cơ BLDC (Brushless DC Motor) ra đời, loại bỏ chổi than và cổ góp bằng chuyển mạch bán dẫn. Động cơ BLDC thừa hưởng ưu điểm của động cơ DC (đặc tính cơ tốt, đáp ứng nhanh) đồng thời sở hữu tuổi thọ cao, vận hành êm ái và khả năng làm việc trong môi trường nguy hiểm. Tuy nhiên, điều khiển động cơ BLDC phức tạp hơn, đòi hỏi cấp điện theo vị trí rotor. Nhiều nhà sản xuất cung cấp driver điều khiển động cơ BLDC, nhưng giá thành còn cao. Nghiên cứu và chế tạo driver điều khiển động cơ BLDC là cần thiết, góp phần thay thế động cơ xăng bằng động cơ điện. Luận văn này tập trung vào bộ điều khiển sử dụng dsPIC 30F2010 của Microchip, dòng PIC chuyên dụng cho điều khiển động cơ BLDC.

Ứng dụng của động cơ BLDC ngày càng rộng rãi trong lĩnh vực cơ điện tử, từ các thiết bị nhỏ như ổ cứng máy tính, quạt tản nhiệt đến các hệ thống lớn hơn như xe điện, máy bay không người lái (drone) và thiết bị y tế. Hiệu suất động cơ BLDC cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng tùy biến linh hoạt là những yếu tố then chốt thúc đẩy sự phát triển của ứng dụng động cơ BLDC trong tương lai. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển vector động cơ BLDC và điều khiển tốc độ động cơ BLDC hiệu quả sẽ mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng mới cho loại động cơ này. “Trong luận văn này, bộ điều khiển sử dụng dsPIC 30F2010 của hãng Microchip sản xuất, dsPIC 30F2010 là dòng PIC chuyên dùng để điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ BLDC.”

1.1. Giới thiệu về Động cơ BLDC không chổi than Ưu điểm nổi bật

Động cơ một chiều thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với mục đích điều khiển. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường.

1.2. Ứng dụng Động cơ BLDC trong Hệ thống Cơ điện tử hiện đại

Ứng dụng động cơ BLDC có đầy đủ các chức năng của một động cơ DC có chổi than, nhưng do giá cả và việc điều khiển động cơ loại này phức tạp nên động cơ loại này không thể thay thế loại động cơ không chổi than trong các ứng dụng giá cả rẻ. Tuy nhiên, các động cơ có ưu thế trong nhiều ứng dụng, nhất là các thiết bị như các ổ cứng máy tính, máy chơi nhạc CD/DVD. Các quạt tản nhiệt nhỏ trong thiết bị điện tử là động cơ BLDC. Loại động cơ này có thể được tìm thấy trong các dụng cụ máy không dây mà hiệu suất động cơ tăng lên dẫn tới thời gian sử dụng trước khi thay pin để sạc dài hơn.

II. Cấu Tạo Nguyên Lý Hoạt Động Động Cơ BLDC Phân Tích Chi Tiết 58

Động cơ BLDC gồm ba phần chính: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, cùng với cảm biến vị trí động cơ BLDC và encoder. Stator có dây quấn phần ứng (thường là ba pha), rotor gắn nam châm vĩnh cửu. Cảm biến vị trí động cơ BLDC (Hall sensor) đo vị trí rotor, điều khiển chuyển mạch. Rotor có các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau. Tín hiệu từ cảm biến Hall xác định thứ tự chuyển mạch. Điện áp cấp cho ba pha của động cơ được chuyển mạch, phụ thuộc vào cảm biến vị trí động cơ BLDC. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC dựa trên việc cấp điện cho cuộn dây stator theo thứ tự, phụ thuộc vào vị trí rotor. “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 hóa so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ.”

2.1. Chi tiết cấu trúc Stator và Rotor của Động Cơ BLDC

Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than là dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha. Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác ∆. Stator của động cơ một chiều không chổi than Stator của BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator.

2.2. Vai trò của Cảm biến vị trí Hall Sensor trong điều khiển BLDC

Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện từ. Tức là các cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất. Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được 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 được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor được đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong stator. Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có 3 cảm biến Hall đặt ẩn bên trong stator, ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ.

III. Phương Pháp Điều Khiển Động Cơ BLDC Sensorless Sensored 56

Có hai phương pháp chính để điều khiển động cơ BLDC: sensorless (không cảm biến) và sensored (có cảm biến). Điều khiển động cơ BLDC không có sensor dựa vào sức phản điện (EMF) hoặc ước lượng vị trí rotor thông qua thông số động cơ. Phương pháp này giảm chi phí nhưng đòi hỏi DSPs để tính toán. Điều khiển động cơ BLDC có sensor sử dụng cảm biến vị trí động cơ BLDC (Hall sensor, encoder) để xác định vị trí rotor và điều khiển chuyển mạch. Mặc dù tăng chi phí và kích thước, phương pháp này đảm bảo độ chính xác cao hơn. Cả hai phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. “Về cơ bản, có hai kiểu điều khiển dạng sensorless. Kiểu đầu tiên là định vị trí bằng cách sử dụng sức phản điện từ cuộn dây (để hở) của động cơ khi đang hoạt động, và kiểu thứ hai là ước lượng vị trí bằng cách sử dụng các thông số motor như đầu ra dòng áp.”

3.1. Ưu điểm của điều khiển Động cơ BLDC Sensorless và ứng dụng thực tế

Điều khiển động cơ không chổi quét (BLDC) mà không dùng cảm biến (chế độ sensorless) được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây.Giản đồ sau cho thấy rõ sự chuyển đổi điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC: Từ giản đồ trên thấy rõ động cơ BLDC khi hoạt động, chỉ có hai trong ba pha được cấp điện cùng 1 khoảng thời gian, và pha còn lại được để trống. Giá trị điện áp của sức phản điện từ cuộn dây để trống được dùng xác định điểm “zero” như trong giản đồ đã biểu diễn.

3.2. Ứng dụng và Lợi ích của việc dùng Sensor trong điều khiển BLDC

Để quay động cơ thì phải có từ trường qua. Động cơ BLDC 3 pha có 3 pha stato được kích hoạt ở cùng một thời điểm để tạo ra từ trường quay. Phương pháp này đơn giản để thực hiện nhưng để tránh từ trường nam châm vĩnh cửu khóa thì kích thích trên stator phải theo thứ tự trong một cách thức đặc biệt khi biết chính xác vị trí của từ trường rotor. Thông tin của vị trí có thể có được hoặc bằng encoder xác định vị trí của trục hoặc bằng cảm biến Hall xác định vị trí của nam châm roto. Với động cơ loại 3 pha đặc biệt, động cơ BLDC có cảm biến, có 6 vùng khác nhau hoặc phần khác nhau trong đó có hai cuộn dây được kích.

3.3. Điều khiển vòng lặp hở Open loop và Vòng lặp kín Closed loop

Trong điều khiển vòng lặp mở, MCPWM điều khiển trực tiếp tốc độ động cơ dựa vào điện áp vào ở Speed Pot. Sau khi cài đặt MCPWM, ADC, các Port và các đầu vào CN, chương trình chờ kích hoạt tín hiệu đầu vào (ví dụ có một nút bấm khởi động), cảm biến Hall được đọc về. Với điều khiển vòng lặp đóng sự khác biệt cơ bản là sử dụng thuật toán điều khiển PID để điều khiển tốc độ động cơ. Điều này đảm bảo tốc độ chính xác, TMR3 được sử dụng là một timer làm vòng quét. Khi sử dụng động cơ 10 cực, 5 chu kỳ điện trong một chu kỳ máy.

IV. Thiết Kế Phần Cứng Mạch Điều Khiển BLDC Hướng Dẫn Chi Tiết 57

Phần cứng mạch điều khiển động cơ BLDC sử dụng vi điều khiển dsPIC30F làm trung tâm, với 6 PWM. Các chân PWM nối với IC cầu IR2101S và MOSFET IRFR2407. Điện trở shunt hạn chế dòng điện. Thiết kế phần cứng cần đảm bảo tản nhiệt cho MOSFET và cung cấp điện áp phù hợp cho IC driver. Vi điều khiển dsPIC30F2010 có 28 chân, MCU 16 bit, chuyên dụng cho điều khiển động cơ BLDC. Driver IR2101S có dải cấp 10V-20V, MOSFET IRFR2407 chịu điện áp 70V, dòng 18A. Cảm biến dòng điện (điện trở shunt, cảm biến Hall) cung cấp thông tin phản hồi. “Phần cứng được xây dựng với trung tâm là vi điều khiển dsPIC30F được sử dụng chuyên dùng cho việc điều khiển động cơ (có tới 6 PWM). Các chân điều khiển PWM được nối với một IC cầu IR2101S (3 con ICs) và các chân OUTPUT của IC cầu này được nối với MOSFET IRFR2407 (6 con MOSFETs). Xung PWM để điều khiển động cơ thông qua mạch cứng này (IR2101S và IRF2407) để điều khiển động cơ BLDC.”

4.1. Chọn IC và Đặc điểm kỹ thuật quan trọng cho Mạch Điều Khiển

Trung tâm của mạch điều khiển chính là chip dsPIC30F2010 thuộc dsPIC30F Family. Có thể nêu qua một số đặc điểm nổi bật của chip này được sử dụng trong ứng dụng đang được luận văn này đề cập. Vi điều khiển dsPIC30F2010 có 28 chân và MCU là 16 bit được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điều khiển động cơ. Các loại động cơ như động cơ không đồng bộ ACIM (AC Induction Motors), động cơ một chiều không chổi than BLDC và động cơ DC là các loại mà dòng vi điều khiển này được nhà sản xuất thiết kế đặc biệt để điều khiển chúng.

4.2. Sử dụng và so sánh Điện trở Shunt IC khuếch đại trong Mạch

Cảm biến là thành phần quan trọng trong điều khiển động cơ. Cảm biến được sử dụng để cảm nhận về dòng điện, vị trí, tốc độ và hướng quay của động cơ. Hiện nay sự phát triển của công nghệ cảm biến làm cho cảm biến ngày càng ổn định và chính xác bên cạnh đó giá thành ngày càng giảm. Nhiều cảm biến hiện nay đã được tích hợp vào các mạch điện tử và được đóng gói nhỏ gọn.

4.3. MAX232 và giao tiếp máy tính Vai trò và ứng dụng

Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau: - Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song. - Số dây kết nối ít. - Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại. - Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device). - Cho phép nối mạng.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Động Cơ BLDC Trong Cơ Điện Tử Top 5 55

Ứng dụng động cơ BLDC trong cơ điện tử rất đa dạng. 1. Xe điện: Động cơ BLDC công suất cao được dùng trong xe đạp điện, xe máy điện và xe hybrid. 2. Máy bay không người lái (drone): Động cơ BLDC mini được sử dụng rộng rãi trong drone nhờ kích thước nhỏ, hiệu suất cao. 3. Thiết bị y tế: Động cơ BLDC được sử dụng trong máy bơm, máy thở và các thiết bị chẩn đoán. 4. Robot: Ứng dụng động cơ BLDC trong robot giúp robot di chuyển chính xác và linh hoạt. 5. Thiết bị gia dụng: Máy giặt, máy hút bụi sử dụng động cơ BLDC để tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn. “Động cơ BLDC công suất cao được dùng trong các phương tiện (xe đạp, xe máy) điện và các phương tiện lai (tổ hợp). Các động cơ này là các động cơ không đồng bộ AC dùng rotor là nam châm điện vĩnh cửu. Các hãng xe tự cân bằng Seway và xe tay ga Vectrix cũng sử dụng công nghệ BLDC.”

5.1. Động Cơ BLDC trong xe điện Lợi ích và tiềm năng

Nhiều xe điện sử dụng động cơ BLDC được lắp vào máy ở xe cùng với stator được gắn cứng vào trục và nam châm được gắn và quay cùng với bánh. Máy xe đạp chính là động cơ. Loại xe điện này cũng có cơ cấu chuyển động với pedal, bánh xích và xích …

5.2. Ứng dụng Động Cơ BLDC trong quạt gió tản nhiệt thiết bị công nghiệp

Có một xu hướng trong nền công nghiệp đông lạnh và tản nhiệt là sử dụng động cơ BLDC thay thế cho các loại động cơ AC. Lý do quan trọng nhất để chuyển sang dùng động cơ BLDC là động cơ này giảm công suất để vận hành nó. Trong khi động cơ có cực che và động cơ khởi động bằng tụ điện là sự lựa chọn thích hợp khi lựa chọn quạt động cơ, thì nhiều quạt hiện nay sử dụng một động cơ BLDC.

5.3. Động cơ BLDC trong thiết kế hiện đại Máy bay Xe mô hình và nhiều hơn nữa

Động cơ BLDC là sự lựa chọn thường thấy cho các mô hình máy bay có cả trực thăng. Công suất công suất và khối lượng cùng với dải rộng các kích cỡ, từ 5 gam tới động cơ lớn với hàng nghìn wat là cuộc cách mạng trong kinh doanh mô hình bay sử dụng điện. Mô hình máy bay, phản lực và xe mô hình

VI. Kết Luận Xu Hướng Phát Triển Động Cơ BLDC Cơ Điện Tử 53

Động cơ BLDC đang ngày càng khẳng định vị thế quan trọng trong lĩnh vực cơ điện tử nhờ hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng tùy biến. Các nghiên cứu về điều khiển vector động cơ BLDC, điều khiển tốc độ động cơ BLDC và điều khiển vị trí động cơ BLDC sẽ tiếp tục được đẩy mạnh. Xu hướng phát triển tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, giảm chi phí, tích hợp cảm biến và phát triển các giải pháp điều khiển động cơ BLDC thông minh. Tương lai của ứng dụng động cơ BLDC hứa hẹn nhiều đột phá trong các lĩnh vực công nghiệp, giao thông, y tế và tự động hóa.

6.1. Thách thức Cơ hội cho Nghiên Cứu Động Cơ BLDC

Việc nghiên cứu sâu hơn về vật liệu nam châm mới, các thuật toán điều khiển tối ưu và công nghệ sản xuất tiên tiến sẽ mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển động cơ BLDC với hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ hơn và chi phí thấp hơn. Đồng thời, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet of Things (IoT) vào hệ thống điều khiển động cơ BLDC sẽ tạo ra các giải pháp thông minh và linh hoạt hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ứng dụng cơ điện tử hiện đại.

6.2. Tiềm năng trong Ứng Dụng Động Cơ BLDC Robotics và Tự động hóa

Ứng dụng trong robotics và tự động hóa sẽ chứng kiến sự bùng nổ nhờ khả năng di chuyển chính xác và linh hoạt của robot. Ngoài ra, động cơ BLDC còn có tiềm năng lớn trong các hệ thống năng lượng tái tạo, giúp chuyển đổi năng lượng từ gió, mặt trời thành điện năng một cách hiệu quả. Do vậy, sự phát triển của động cơ BLDC không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và xây dựng một tương lai bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 đã giới thiệu, có thể mô hình hóa động cơ BLDC tương tự như động cơ DC bình thường. Nên có thể áp dụng luật điều khiển PID khi điều khiển tốc độ động cơ BLDC. Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC) Để quay động cơ thì phải có từ trường qua. Động cơ BLDC 3 pha có 3 pha stato được kích hoạt ở cùng một thời điểm để tạo ra từ trường quay.

Phương pháp này đơn giản để thực hiện nhưng để tránh từ trường nam châm vĩnh cửu khóa thì kích thích trên stator phải theo thứ tự trong một cách thức đặc biệt khi biết chính xác vị trí của từ trường rotor. Thông tin của vị trí có thể có được hoặc bằng encoder xác định vị trí của trục hoặc bằng cảm biến Hall xác định vị trí của nam châm roto. Với động cơ loại 3 pha đặc biệt, động cơ BLDC có cảm biến, có 6 vùng khác nhau hoặc phần khác nhau trong đó có hai cuộn dây được kích. Có thể xem ở hình 16.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Sơ đồ chuyển mạch BLDC Bằng cách đọc giá trị của cảm biến Hall, mã 3-bit có thể dùng để lưu trữ giá trị từ 1 đến 6. Mỗi giá trị của mã miêu tả một vị trí của rotor. Ứng với mỗi giá trị đó sẽ cho chúng ta thông tin xem cuộn nào cần được kích.

Do đó một bảng tra đơn giản có thể dùng bằng cách lập trình để xác định hai cuộn nào của động cơ được kích và do đó quay động cơ. Chú ý rằng giá trị 0 và 7 là giá trị không hợp lệ của cảm biến Hall. Phần mềm sẽ kiểm tra các giá trị này và phát xung PWM tương ứng hoặc disable nó đi. • CN Inputs Dựa vào phân tích trên cảm biến hall có thể được nối với đầu vào dsPIC30F2010.

Khi đầu vào thay đổi trạng thái thì tạo ra một ngắt. Ngắt này nằm trong thủ thục ngắt CN, chương trình ứng dụng người dùng đọc giá trị cảm biến Hall và sử dụng nó để tạo ra bảng tra để điều khiển các cuộn dây động cơ BLDC. • Module điều chế độ rộng xung (MCPWM) Sử dụng phương pháp trên có thể làm động cơ BLDC quay với tốc độ full. Tuy nhiên để biến đổi tốc độ BLDC, cần cấp điện áp biến đổi cho cuộn dây TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Việc này có thể thực hiện được bằng cách điều chế độ rộng xung PWM. Ở dòng vi điều khiển dsPIC30F có tới 6 đầu ra PWM có thể điều khiển tín hiệu PWM. Như trong hình 17, ba cuộn dây được kéo lên ON phía cao, điều khiển ON phía thấp hoặc không điều khiển tất cả sử dụng 6 chuyển mạch, IGBT hoặc MOSFET. Khi môt chân của cuộn dây được nối như trong ví dụ, vào phía cao, tín hiệu PWM có thể đặt vào phía thấp driver.

Điều này tương đương với các tín hiệu PWM ở phía cao và nối phía thấp với Vss hoặc GND. Khi điều khiển tín hiệu PWM, driver ở phía thấp được ưu dùng hơn ở phía cao. Ví dụ phần cứng phương pháp điều khiển BEMF PWM của dòng dsPIC30F còn được gọi là MCPWM. Module này được thế kế đặc biệt cho điều khiển các ứng dụng động cơ đặc biệt.

MCPWM có thanh ghi cơ sở 16 bit PTMR (timer), timer này tăng do người dùng định nghĩa clock tick. Người dùng cũng quy định tới tần số của PWM bằng cách cài đặt một giá trị và load nó với các thanh ghi PTPER. PTMR được so sánh với giá trị PTPER ở mỗi chu kỳ Tcy. Khi 2 thanh ghi có giá trị bằng nhau thì một chu kỳ mới được bắt đầu Duty cycle được điều khiển tương tự bằng cách load một giá trị vào 3 thanh ghi điều khiển duty cycle.

Không giống như so sánh tần số, giá trị trong TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 23 thanh ghi duty cycle được so sánh sao cho một Tcy/2 (nhanh gấp đôi so sánh tần số). Nếu giá trị PTMR và PDCX bằng nhau thì duty cycle tương ứng được kéo lên cao hoặc thấp tùy theo chế độ PWM được chọn. Sơ đồ khối hoạt động PWM TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 24 Có một vài chế độ được cấu hình trong module MCPWM. Đầu ra Edge aligned có thể là chế độ được sử dụng thường xuyên.

Trong hình 19 miêu tả chế độ Edge aligned PWM. Ở lúc bắt đầu, đầu ra được kéo lên mức cao. Khi PTMR tăng lên bằng với giá trị thanh ghi duty cycle thì đầu ra ở mức thấp. Khi PTMR bằng giá trị trong thanh ghi PTPER thì một chu kỳ mới sẽ được bắt đầu và đầu ra lại lên mức cao ở lúc bắt đầu trong chu kỳ mới.

Xung PWM kiểu Edge aligned Các chế độ khác của MCPWM có thể được cài đặt là center-aligned PWM và single-shot PWM. Các chế độ này không đề cập ở đây bởi vì nó không được sử dụng để điều khiển động cơ BLDC. Đặc điểm quan trọng của MCPWM được sử dụng ở ứng dụng điều khiển BLDC là chế độ Overide Control (Điều khiển ghi đè). Chế độ này cho phép người dùng ghi trực tiếp vào thanh ghi OVDCON và điều khiển các chân xuất.

thanh ghi OVDCON có 2 trường 6 bit. Mỗi trường 6 bit tương ứng một chân xuất. Phần byte cao của thanh ghi OVDCON xác định nếu chân xuất tương ứng được điều khiển bằng một tín hiệu PWM (khi set lên 1) hoặc (khi set về 0) điều khiển hoạt động/không hoạt động bằng trường bit tương ứng trong phần byte thấp của thanh ghi OVDCON. Đặc điểm này cho phép người dùng cài đặt tín TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 25 hiệu PWM nhưng không điều khiển tất cả các chân xuất ra.

Với động cơ BLDC các thanh ghi PCDx được ghi cùng một giá trị. Tùy thuộc vào giá trị trong thanh ghi OVDCON , người dùng có thể chọn chân nào sẽ xuất tín hiệu PWM và chân nào hoạt động hoặc không hoạt động. Khi điều khiển động cơ BLDC có phản hồi điều này cần thiết để điều khiển cùng lúc 2 cặp cuộn dây phụ thuộc vào vị trí của rotor và điều này được xác định bởi giá trị của cảm biến hall phản hồi về. Trong trình phục vụ ngắt CN giá trị của cảm biến hall được đọc và sau đó được sử dụng để ghi vào một bảng giá trị, chính giá trị này được load vào thanh ghi OVDCON để điều khiển việc đóng mở các MOSFET.

Bảng 1 và hình 20 chỉ ra sự khác nhau giữa các vị trí của rotor và do đó các cuộn dây nào cần. Ví dụ về giá trị nạp vào thanh ghi OVDCON Hình 20. Xuất xung PWM điều khiển ứng với bảng trên TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Điều khiển vòng lặp hở (opened-loop) Trong điều khiển vòng lặp mở, MCPWM điều khiển trực tiếp tốc độ động cơ dựa vào điện áp vào ở Speed Pot.

Sau khi cài đặt MCPWM, ADC, các Port và các đầu vào CN, chương trình chờ kích hoạt tín hiệu đầu vào (ví dụ có một nút bấm khởi động), cảm biến Hall được đọc về. Dựa vào giá trị này, giá trị tương ứng được nhận từ bảng dữ liệu và được ghi vào OVDCON. Lúc này động cơ sẽ bắt đầu quay. Ban đầu duty cycle được cài đặt mặc định là 50%.

Ở vòng lặp tiếp theo thì giá trị của chiết áp được đọc và giá trị của nó được ghi vào thanh ghi như duty cycle. Giá trị này sẽ xác định tốc độ của động cơ. Giá trị này lớn động cơ sẽ quanh nhanh và ngược lại giá trị này nhỏ động cơ sẽ quay chậm hơn. Tốc độ được điều khiển bằng điện áp biểu diễn như hình 21.

Chế độ điều khiển vòng lặp hở Cảm biến Hall được nối với chân CN. Ngắt CN được kích hoạt. Khi rotor quay, vị trí của nam châm rotor thay đổi và rotor quay qua các phần khác nhau. Mỗi vị trí của rotor sẽ được nhận biết bởi ngắt CN.

Trong thủ tục ngắt CN được biểu diễn trong hình 21 cảm biến Hall được đọc và dựa vào giá trị này sẽ ghi vào một bảng (bảng tra) và ghi vào thanh ghi OVDCON. Điều này đảm bảo các cuộn dây được kích thích đúng và động cơ sẽ quay liên tục không bị dừng, giật do kích thích không đúng thứ tự. Điều khiển vòng lặp kín (closed-loop) Với điều khiển vòng lặp đóng sự khác biệt cơ bản là sử dụng luật điều khiển PI để điều khiển tốc độ động cơ. Điều này đảm bảo tốc độ chính xác, TMR3 được sử dụng là một timer làm vòng quét.

Khi sử dụng động cơ 10 cực, 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 27 chu kỳ điện trong một chu kỳ máy. Nếu T giây là thời gian cho một vòng quét điện thì tốc độ S=60/(P/2*T) rpm, trong đó P là số cực. Điều khiển được biểu diễn như trong hình 22. Điều khiển vòng lặp đóng Ở đây có nhắc tới thuật toán PID để điều khiển tốc độ động cơ BLDC.

Do vậy tác giả cũng nhắc qua về phương pháp PID này ở phần sau đây. Thuật toán PID PID (Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm)).Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động, vì: • Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản,dễ hiểu và dễ sử dụng đối với người làm thực tế. • Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển. • Các luật điều khiển P,PI và PID số thích hợp cho phần lớn các quá trình công nghiệp Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV).

Đôi khi cách viết điều khiển PID dưới dạng biến đổi Laplace lại rất thuận tiện cho việc mô phỏng, tổng hợp hàm truyền của hệ thống: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Sơ đồ thuật toán PID Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lược bớt để trở thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD. Công việc chính của người thiết kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạt động tốt và ổn định (quá trình này gọi là PID gain tuning). Đây không phải là việc dễ dàng vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 29 CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 3. Đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ khối xây dựng phần cứng Phần cứng được xây dựng với trung tâm là vi điều khiển dsPIC30F được sử dụng chuyên dùng cho việc điều khiển động cơ (có tới 6 PWM).