Luận Văn Tìm Hiểu Hoạt Động Của Hệ Thống Truyền Động Điện Động Cơ BLDC Không Có Cảm Biến Vị Trí

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực truyền… 93 trang · Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng · 2018.

• Tác giả: Trương Quỳnh Lâm
• Người hướng dẫn: GS. Thân Ngọc Hoàn
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Tìm Hiểu Hoạt Động Của Hệ Thống Truyền Động Điện Động Cơ BLDC Không Có Cảm Biến Vị Trí
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC)
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC
• 1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC
• 1.3. CẢM BIẾN VỊ TRÍ ROTOR
• 1.3.1. Cảm biến Hall
• 1.3.2. Bộ cảm biến từ trở (MR)
• 1.3.3. Dùng đèn LED hoặc transistor quang
• 1.4. CHUYỂN MẠCH DÒNG ĐIỆN
• 1.5. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
• 3. CHƯƠNG 3: HOẠT ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG CẢM BIẾN VỊ TRÍ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ BLDC

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực truyền động điện. Động cơ này không sử dụng cổ góp và chổi than, giúp giảm thiểu sự mài mòn và bảo trì. Cấu trúc của động cơ BLDC tương tự như động cơ xoay chiều đồng bộ, với rotor được gắn các nam châm vĩnh cửu. Việc điều khiển động cơ này thường dựa vào các thiết bị bán dẫn, cho phép chuyển mạch dòng điện một cách chính xác. Động cơ BLDC có hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốt, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Theo nghiên cứu, động cơ BLDC có thể đạt hiệu suất năng lượng lên đến 90% và có tuổi thọ dài hơn so với động cơ có chổi than.

1.1. Cấu tạo động cơ BLDC

Cấu tạo của động cơ BLDC bao gồm stator và rotor. Stator chứa các cuộn dây được bố trí theo hình sao hoặc tam giác, trong khi rotor được gắn các nam châm vĩnh cửu. Sự khác biệt giữa động cơ BLDC và động cơ một chiều thông thường nằm ở việc sử dụng cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor. Các cảm biến này có thể là cảm biến Hall hoặc cảm biến quang học. Việc xác định vị trí rotor là rất quan trọng để đảm bảo quá trình điều khiển dòng điện chính xác, từ đó tạo ra từ trường quay giúp rotor quay. Động cơ BLDC có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ robot đến các thiết bị công nghiệp.

II. Mô hình toán học và phương pháp điều khiển động cơ BLDC

Mô hình toán học của động cơ BLDC giúp phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Các phương trình mô tả động cơ bao gồm các yếu tố như điện áp, dòng điện, và từ trường. Việc sử dụng mô hình toán học cho phép các kỹ sư dự đoán hành vi của động cơ trong các điều kiện khác nhau. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC thường sử dụng các thuật toán điều khiển PID hoặc điều khiển vector. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của động cơ. Đặc biệt, việc điều khiển động cơ không cảm biến vị trí yêu cầu các thuật toán phức tạp hơn để ước lượng vị trí rotor dựa trên các thông số khác như dòng điện và điện áp. Điều này giúp giảm thiểu chi phí và kích thước của hệ thống điều khiển.

2.1. Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ BLDC, bao gồm điều khiển bằng cảm biến và không cảm biến. Phương pháp điều khiển bằng cảm biến sử dụng các cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor, từ đó điều chỉnh dòng điện cho các cuộn dây. Ngược lại, phương pháp không cảm biến sử dụng các thuật toán ước lượng để xác định vị trí rotor mà không cần cảm biến. Điều này giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống. Các phương pháp điều khiển này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến ô tô, và đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng tự động hóa.

III. Hoạt động điều khiển động cơ BLDC không cảm biến vị trí

Hoạt động của động cơ BLDC không cảm biến vị trí dựa vào việc chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây theo một thứ tự nhất định. Khi rotor quay, các cảm biến Hall sẽ phát hiện vị trí của rotor và gửi tín hiệu đến mạch điều khiển. Mạch điều khiển sẽ điều chỉnh dòng điện cho các cuộn dây sao cho từ trường quay được tạo ra, giúp rotor quay theo. Việc điều khiển này cần phải được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất và độ bền của động cơ. Các nghiên cứu cho thấy rằng động cơ BLDC không cảm biến vị trí có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng, từ máy móc công nghiệp đến thiết bị tiêu dùng.

3.1. Tính năng động cơ không cảm biến

Động cơ BLDC không cảm biến vị trí có nhiều ưu điểm, bao gồm giảm thiểu chi phí và tăng độ tin cậy. Việc không sử dụng cảm biến giúp giảm thiểu các yếu tố gây lỗi trong hệ thống, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của động cơ. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ này đòi hỏi các thuật toán phức tạp hơn để ước lượng vị trí rotor. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển mới nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác của động cơ BLDC không cảm biến. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng động cơ này trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Động cơ điện một chiều truyền thống giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền động điện tự động nhờ khả năng đáp ứng độ chính xác cao, dải điều chỉnh rộng và quy luật điều chỉnh linh hoạt. Tuy nhiên, sự hiện diện của vành góp và chổi than gây ra hao mòn cơ học, phát sinh tia lửa điện và đòi hỏi quy trình bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Trước yêu cầu công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất tại Việt Nam, sự xuất hiện của các dây chuyền sản xuất tự động hóa cao đòi hỏi việc tiếp thu khoa học kỹ thuật hiện đại nhằm tạo ra những hệ truyền động mới và hoàn thiện hệ truyền động cũ. Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor - BLDC), thực chất là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, giải quyết triệt để các hạn chế cơ học trên bằng cách thay thế cơ cấu cổ góp - chổi than bằng chuyển mạch bán dẫn công suất (như biến tần sử dụng transistor chuyển mạch theo vị trí rotor). Tuy nhiên, việc điều khiển BLDC truyền thống phụ thuộc chặt chẽ vào các bộ cảm biến vị trí gắn trên stator, vốn làm tăng kích thước động cơ, tăng số lượng dây dẫn và tiềm ẩn nguy cơ sai hỏng trong môi trường làm việc khắc nghiệt. Đề tài tốt nghiệp "Tìm hiểu hoạt động của hệ thống truyền động điện động cơ BLDC không có cảm biến vị trí" được sinh viên Trương Quỳnh Lâm thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn tại Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng nhằm làm rõ cấu trúc, cơ sở toán học và các giải pháp điều khiển không cảm biến (sensorless).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu trong đồ án được xác định cụ thể qua các nội dung sau:

1. Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu cấu tạo, đặc điểm kỹ thuật, cơ chế chuyển mạch điện tử và các giải pháp cảm biến vị trí rotor (phần tử Hall, cảm biến từ trở MR, cảm biến quang học LED - transistor) của động cơ BLDC trong mối tương quan so sánh với động cơ một chiều thông thường.
2. Nhiệm vụ 2: Xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả các mối quan hệ điện từ, phương trình điện áp ba pha stator, mômen điện từ, phương trình động học, đặc tính cơ và phân tích các phương pháp điều khiển động cơ BLDC (điều khiển 6 bước bằng cảm biến Hall, điều chế độ rộng xung PWM, điều khiển điện áp hình sin, nguyên lý sensorless).
3. Nhiệm vụ 3: Khảo sát nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ BLDC không cảm biến vị trí, phân tích các giải pháp xác định vị trí góc rotor dựa trên sức phản điện động cảm ứng, sự biến đổi cảm ứng và ước lượng từ thông móc vòng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ BLDC ba pha và các giải pháp điều khiển chuyển mạch bán dẫn không sử dụng cảm biến vị trí cơ học/vật lý.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu lý thuyết tại Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện Dân Dụng và Công Nghiệp, Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng.
• Phạm vi thời gian: Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy được thực hiện và bảo vệ trong năm 2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, lý thuyết mạch điện nhiều pha và nguyên lý chuyển mạch bán dẫn công suất trong bộ nghịch lưu cầu ba pha. Về mặt vật lý, nghiên cứu khai thác hiệu ứng Hall (được E. Hall tìm ra năm 1879) để mô tả mối quan hệ giữa điện áp cảm biến và từ trường kích thích thông qua phương trình: $$U_r = \frac{K_h \cdot I \cdot B}{d}$$ Trong đó $K_h$ là hằng số Hall, $I$ là cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, $B$ là cường độ từ trường và $d$ là bề dày của tấm bán dẫn cảm biến.

Mô hình hóa toán học động cơ BLDC dựa trên hệ phương trình vi phân biểu diễn quan hệ mạch điện ba pha stator đối xứng:

• Điện trở các cuộn dây pha bằng nhau: $R_a = R_b = R_c = R$.
• Điện cảm các cuộn dây pha bằng nhau: $L_a = L_b = L_c = L$.
• Hỗ cảm giữa các cuộn dây pha bằng nhau: $L_{ab} = L_{bc} = L_{ca} = M$. Khi stator đấu hình sao ($i_a + i_b + i_c = 0$), phương trình điện áp được rút gọn thông qua tham số điện cảm tương đương của mỗi pha $L_s = L - M$. Sức phản điện động của ba cuộn dây pha ($e_a, e_b, e_c$) có cùng biên độ $E$, lệch pha nhau góc $2\pi/3$ trong không gian và có dạng sóng hình thang. Mômen điện từ $M$ được xác định dựa trên nguyên lý cân bằng giữa công suất cơ ($P_c = M \cdot \omega$) và công suất điện ($P_đ = e_a i_a + e_b i_b + e_c i_c$), bỏ qua các tổn hao sắt từ và tổn hao đồng do vật liệu chế tạo có điện trở suất cao.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được áp dụng trong đề tài bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết kỹ thuật điện: Thu thập, phân loại và hệ thống hóa các tài liệu chuyên ngành về động cơ không chổi than, cấu trúc khóa bán dẫn công suất (Transistor, MOSFET, GTO, IGBT) và nguyên lý phát xung vi điều khiển.
• Phương pháp mô hình hóa giải tích: Thiết lập hệ phương trình vi phân và đại số biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện, mômen điện từ và tốc độ góc của động cơ trong hệ tọa độ tự nhiên.
• Phương pháp phân tích logic chuyển mạch: Giải mã các trạng thái logic từ cảm biến hoặc tín hiệu ước lượng để xây dựng bảng trạng thái điều khiển đóng cắt nghịch lưu cầu qua 6 sector góc điện ($60^\circ$ điện mỗi bước). Nguồn dữ liệu của đồ án được trích xuất hoàn toàn từ các giáo trình chuyên ngành truyền động điện tự động, các bài giảng và tài liệu kỹ thuật máy điện được lưu hành trong chương trình đào tạo kỹ sư Điện Tự Động Công Nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC)

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan về cấu tạo, đặc tính vận hành và nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC, đồng thời làm rõ sự khác biệt giữa BLDC và động cơ một chiều truyền thống:

Tiêu chí so sánh	Động cơ một chiều thông thường	Động cơ BLDC
Cấu trúc cơ khí	Mạch kích từ nằm trên stator, phần ứng trên rotor	Mạch kích từ nam châm nằm trên rotor, phần ứng trên stator
Tính năng đặc biệt	Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển; yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên do mòn chổi than	Đáp ứng chậm hơn; dễ bảo dưỡng, thông thường không yêu cầu bảo dưỡng định kỳ
Sơ đồ nối dây	Nối vòng tròn, đơn giản nhất là nối tam giác ($\Delta$)	Cao áp: ba pha nối Y hoặc $\Delta$; bình thường: ba pha nối Y có trung tính nối đất hoặc 4 pha; đơn giản nhất: 2 pha
Phương pháp đổi chiều	Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp	Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn (Transistor, MOSFET, GTO, IGBT)
Phương pháp xác định vị trí rotor	Tự động xác định bằng tiếp xúc cơ khí chổi than	Sử dụng cảm biến vị trí (phần tử Hall, cảm biến quang học optical encoder)
Phương 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 cấp cho mạch biến tần

Về cấu tạo, stator được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh đặt dây quấn 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha (phổ biến nhất là 3 pha đấu sao hoặc tam giác). Về cấp điện áp, các động cơ $\le 48\text{V}$ thường dùng trong máy tự động, robot, chuyển động nhỏ; các động cơ $> 100\text{V}$ được dùng trong thiết bị công nghiệp và tự động hóa. Rotor gắn các thanh nam châm vĩnh cửu có số đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ; trục có thể chế tạo rỗng để giảm quán tính. Vật liệu nam châm gồm Ferrite (giá rẻ nhưng mật độ từ thông trên đơn vị thể tích thấp) và nam châm hợp kim (mật độ từ thông cao, cho phép thu nhỏ kích thước rotor nhưng vẫn đạt mômen tương đương).

Để xác định vị trí rotor, văn bản phân tích ba loại cảm biến: cảm biến hiệu ứng Hall, bộ cảm biến từ trở (MR) và cảm biến quang học (đèn LED, transistor quang kết hợp màn chắn có góc che $240^\circ$ hoặc $180^\circ$). Cơ chế chuyển mạch vận hành theo chu kỳ 6 bước. Tại mỗi thời điểm, chỉ có 2 cuộn dây pha được cấp điện, cuộn thứ 3 để hở mạch. Quá trình chuyển mạch dòng điện phải trùng pha với sức phản điện động và dòng điện được điều chỉnh biên độ không đổi trong khoảng $120^\circ$ điện để đạt mômen lớn nhất và hạn chế đập mạch mômen. Tác giả phân tích cụ thể trạng thái 6 van cầu qua 6 sector quay thuận (Sector 1 đến Sector 6) và 6 sector quay ngược (Sector $1'$ đến $6'$).

Chương 2: Mô hình toán học và phương pháp điều khiển động cơ BLDC

Chương 2 thiết lập mô hình toán học giải tích và các chiến lược điều khiển. Từ mô hình mạch điện thay thế ba pha stator, phương trình cân bằng điện áp khi áp dụng toán tử Laplace ($s = d/dt$) và đấu sao ($i_a + i_b + i_c = 0$) được rút gọn về dạng: $$V_a = R \cdot i_a + (L - M) s \cdot i_a + e_a$$ Với $L_s = L - M$ là điện cảm tương đương của mỗi pha, phương trình điện áp pha viết lại thành: $$V_a = R \cdot i_a + L_s \cdot s \cdot i_a + e_a$$ Mômen điện từ của động cơ được xác định qua cân bằng công suất cơ và điện: $$P_c = M \cdot \omega = P_đ = e_a i_a + e_b i_b + e_c i_c \implies M = \frac{e_a i_a + e_b i_b + e_c i_c}{\omega}$$ Phương trình động học tổng quát của hệ truyền động có dạng: $$M - M_c = J\frac{d\omega_m}{dt} + D \cdot \omega_m$$ Trong đó $J = J_m + J_c$ là tổng mômen quán tính của động cơ và tải, $M_c$ là mômen tải. Do hệ số ma sát nhớt $D$ trong động cơ BLDC rất nhỏ nên thành phần $D \cdot \omega_m$ được bỏ qua.

Xét sơ đồ thay thế một pha ở chế độ xác lập, do tại một thời điểm luôn có 2 pha dẫn dòng nên phương trình điện áp là $V = 2R \cdot I + E$. Kết hợp với biểu thức sức phản điện động $E = K_e \cdot \omega$ (với $E$ đo theo đỉnh - đỉnh, biên độ bằng $E/2$), tác giả rút ra phương trình đặc tính cơ tuyến tính của động cơ BLDC: $$\omega = \frac{V}{2K_e} - \frac{4R}{K_e^2}M$$ Tốc độ không tải lý tưởng ứng với $I = 0$ là $\omega_0 = V / (2K_e)$. Hằng số thời gian điện từ của động cơ được xác định bằng $T_ư = L_ư / R_ư$.

Về phương pháp điều khiển, chương này phân tích 4 nội dung:

1. Điều khiển 6 bước bằng cảm biến Hall: Tín hiệu từ 3 cảm biến Hall lệch nhau $60^\circ$ điện tạo ra 6 tổ hợp logic trong một chu kỳ điện, điều khiển mở các van bán dẫn qua vi điều khiển và mạch driver. Trình tự chuyển mạch quay theo chiều kim đồng hồ được tổng hợp trong bảng sau:

Thứ tự bước	Đầu vào cảm biến Hall (A, B, C)	Tín hiệu PWM điều khiển van	Dòng điện pha A	Dòng điện pha B	Dòng điện pha C
1	1 0 1	PWM5 (Q5), PWM6 (Q6)	0	-DC	+DC
2	1 0 0	PWM1 (Q1), PWM6 (Q6)	+DC	-DC	0
3	1 1 0	PWM1 (Q1), PWM2 (Q2)	+DC	0	-DC
4	0 1 0	PWM3 (Q3), PWM2 (Q2)	0	+DC	-DC
5	0 1 1	PWM3 (Q3), PWM4 (Q4)	-DC	+DC	0
6	0 0 1	PWM5 (Q5), PWM4 (Q4)	-DC	0	+DC

Bảng chuyển mạch quay ngược chiều kim đồng hồ cũng được xây dựng với trình tự logic đảo ngược từ bước 1 (0 0 1) đến bước 6 (1 0 1). 2. Điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Điện áp cung cấp cho bộ khóa công suất giữ cố định, điện áp trung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách băm xung khóa trên, khóa dưới hoặc đồng thời cả hai khóa. 3. Điều khiển điện áp hình sin (Brushless AC): Tạo ra điện áp và dòng điện ngõ ra hình sin giúp giảm thiểu tiếng ồn cơ học nghe thấy được và giảm độ gợn sóng mômen. 4. Điều khiển không cảm biến (Sensorless control): Giới thiệu nguyên lý loại bỏ cảm biến vật lý, dựa vào việc phát hiện thời điểm qua điểm không (zero-crossing) của sức phản điện động hình thang hoặc ước lượng vị trí từ các thông số điện áp và dòng điện động cơ.

Chương 3: Hoạt động điều khiển động cơ BLDC không cảm biến vị trí

Chương 3 trình bày các yêu cầu kỹ thuật và nguyên lý của các phương pháp điều khiển không cảm biến vị trí:

• Đặc điểm và yêu cầu cảm biến vị trí của động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi than: Phân tích vai trò của việc nắm bắt góc vị trí rotor đối với việc đóng cắt chính xác các khóa công suất trong nghịch lưu cầu.
• Cảm biến vị trí sử dụng sức phản điện động cảm ứng: Phương pháp này dựa trên hiện tượng tại mỗi sector $60^\circ$ điện, cuộn dây pha không cấp điện sẽ xuất hiện sức phản điện động cảm ứng do từ thông rotor quét qua. Điểm qua không (zero-crossing) của sức phản điện động xuất hiện chính xác tại thời điểm lệch $30^\circ$ điện so với thời điểm chuyển mạch tiếp theo. Bằng cách trích tín hiệu điện áp pha này so với điểm trung tính giả lập và tạo góc trễ $30^\circ$ điện, hệ thống xác định chính xác thời điểm chuyển mạch mà không cần cảm biến Hall. Đây là giải pháp đơn giản, dễ thực hiện và giá thành thấp.
• Cảm biến vị trí sử dụng sự biến đổi cảm ứng: Kỹ thuật này khai thác sự phụ thuộc của độ tự cảm và hỗ cảm cuộn dây stator vào góc quay của cực từ rotor nam châm vĩnh cửu. Sự biến thiên điện cảm được đo đạc thông qua các đáp ứng dòng điện khi cấp các xung điện áp thử nghiệm, hỗ trợ ước lượng vị trí rotor ngay cả khi rotor đứng yên.
• Cài đặt vị trí dựa trên từ thông móc vòng: Vị trí rotor được tính toán thông qua tích phân phương trình điện áp và dòng điện pha để tái tạo vector từ thông móc vòng stator. Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi khối lượng tính toán phức tạp và phụ thuộc vào các thông số động cơ.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể dựa trên nội dung văn bản:

• Thiết lập đầy đủ mô hình toán học giải tích của động cơ BLDC ba pha đối xứng đấu sao, xây dựng biểu thức điện cảm tương đương $L_s = L - M$, phương trình mômen điện từ và phương trình đặc tính cơ tuyến tính $\omega = V/(2K_e) - (4R/K_e^2)M$ cùng tốc độ không tải $\omega_0 = V / (2K_e)$.
• Xây dựng chi tiết bảng giải mã logic 6 bước kích mở nghịch lưu cầu ba pha tương ứng với trạng thái cảm biến Hall đặt lệch nhau $60^\circ$ điện cho cả hai chiều quay thuận và quay ngược.
• Phân tích và chỉ rõ điều kiện tối ưu mômen: cấp điện cho cuộn dây stator sao cho dòng điện trùng pha với sức phản điện động và duy trì biên độ dòng không đổi trong độ rộng $120^\circ$ điện để giảm thiểu đập mạch mômen.
• Tổng hợp và phân loại các kỹ thuật điều khiển không cảm biến vị trí: kỹ thuật nhận diện điểm qua không của sức phản điện động (đơn giản, chi phí thấp nhưng hạn chế ở tốc độ thấp), kỹ thuật biến đổi cảm ứng và kỹ thuật ước lượng từ thông móc vòng (tính toán phức tạp, giá thành cao hơn).
• Đóng góp: Đồ án hệ thống hóa cơ sở lý thuyết máy điện không chổi than và bán dẫn công suất, cung cấp tài liệu nghiên cứu có tính hệ thống cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp tiếp cận công nghệ truyền động điện hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi nghiên cứu và nội dung trình bày trong văn bản:

• Hạn chế: Đồ án thuần túy là nghiên cứu lý thuyết tổng quan và mô hình hóa giải tích. Đề tài chưa xây dựng mô hình mô phỏng số học (như trên Matlab/Simulink) để kiểm chứng dạng sóng chuyển mạch; chưa thiết kế phần cứng thực nghiệm vi điều khiển để đo đạc thông số dòng điện, điện áp và mômen thực tế. Ngoài ra, văn bản chưa đề cập giải pháp thuật toán giải quyết bài toán khởi động động cơ ở vùng tốc độ bằng không khi áp dụng phương pháp sức phản điện động (do sức phản điện động bằng 0 khi rotor đứng yên).
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  1. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động BLDC không cảm biến trên phần mềm máy tính nhằm khảo sát các chế độ quá độ và đáp ứng tải.
  2. Nghiên cứu thuật toán khởi động động cơ không cảm biến từ trạng thái đứng yên (khởi động mạch hở hoặc quét tần số) trước khi chuyển sang chế độ vòng kín.
  3. Thiết kế, chế tạo mạch phần cứng thử nghiệm bao gồm bộ nghịch lưu IGBT/MOSFET và mạch điều khiển nhúng vi xử lý để kiểm nghiệm thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật thuộc ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Cơ điện tử:

• Chương 2 là tài liệu hữu ích cho việc học tập các học phần Truyền động điện, Lý thuyết điều khiển tự động và Điện tử công suất, đặc biệt là phương pháp thiết lập phương trình đặc tính cơ và mô hình hóa mạch điện ba pha đối xứng.
• Bảng logic chuyển mạch 6 bước (Bảng 2.1 và 2.2) và sơ đồ 6 sector trong Chương 1 cung cấp dữ liệu tham khảo trực tiếp cho các đồ án thiết kế vi điều khiển điều khiển nghịch lưu ba pha.
• Chương 3 cung cấp cơ sở lý thuyết định hướng cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về giải thuật ước lượng vị trí rotor không cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ BLDC lại cần bộ chuyển mạch bán dẫn điện tử thay vì sử dụng cơ cấu chổi than cơ học?

Động cơ một chiều thông thường sử dụng chổi than và cổ góp cơ khí để đảo chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng trên rotor. Cơ cấu tiếp xúc cơ khí này dễ bị mòn, phát sinh tia lửa điện, gây tổn hao và yêu cầu bảo dưỡng định kỳ. Động cơ BLDC chuyển cuộn dây phần ứng sang stator và đặt nam châm vĩnh cửu trên rotor. Quá trình đổi chiều dòng điện được thực hiện bằng các thiết bị bán dẫn như Transistor, MOSFET, IGBT đóng cắt theo góc quay rotor, giúp loại bỏ hoàn toàn cơ cấu chổi than, tăng tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.

2. Mô hình toán học của động cơ BLDC ba pha đấu sao rút gọn biểu thức điện cảm như thế nào?

Trong động cơ BLDC ba pha đối xứng ($R_a = R_b = R_c = R$; $L_a = L_b = L_c = L$; hỗ cảm giữa các pha bằng nhau $L_{ab} = L_{bc} = L_{ca} = M$), khi stator đấu hình sao, tổng dòng điện ba pha bằng không: $i_a + i_b + i_c = 0$, dẫn đến $i_b + i_c = -i_a$. Thành phần hỗ cảm trong phương trình điện áp pha $A$ là $M \cdot d(i_b + i_c)/dt = -M \cdot (di_a/dt)$. Khi đó, phương trình điện áp pha $A$ trở thành $V_a = R \cdot i_a + (L - M)(di_a/dt) + e_a$. Bằng cách đặt $L_s = L - M$ là điện cảm tương đương của mỗi pha, phương trình rút gọn còn $V_a = R \cdot i_a + L_s(di_a/dt) + e_a$.

3. Nguyên tắc chuyển mạch 6 bước (six-step commutation) của động cơ BLDC được thực hiện như thế nào?

Cứ mỗi khi rotor quay được một góc $60^\circ$ điện, một trong ba cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái logic, chia một chu kỳ điện thành 6 sector chuyển mạch. Tại mỗi bước chuyển mạch, chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện (một pha nối cực dương $+DC$, một pha nối cực âm $-DC$), cuộn dây pha còn lại để hở. Dòng điện trong mỗi pha dẫn liên tục trong khoảng $120^\circ$ điện và nghỉ $60^\circ$ điện. Trình tự này tạo ra từ trường stator quay từng bước $60^\circ$ điện để tương tác với từ trường rotor, làm cho rotor quay liên tục.

4. Phương pháp xác định vị trí rotor không cảm biến bằng sức phản điện động vận hành theo nguyên lý nào?

Do động cơ BLDC hoạt động theo chế độ cấp điện 2 pha và để hở 1 pha trong mỗi khoảng $60^\circ$ điện, cuộn dây pha để hở sẽ xuất hiện sức phản điện động cảm ứng do từ trường nam châm rotor quét qua. Dạng sóng sức phản điện động hình thang này sẽ cắt trục không (zero-crossing) tại điểm chính giữa của khoảng không dẫn, tức lệch $30^\circ$ điện so với thời điểm chuyển mạch tiếp theo. Bằng cách đo điện áp pha hở mạch so với điểm trung tính giả lập và tạo góc trễ $30^\circ$ điện sau thời điểm qua không, hệ thống vi điều khiển sẽ kích hoạt chính xác bước chuyển mạch tiếp theo mà không cần cảm biến cơ học.

5. Sự khác biệt giữa việc sử dụng rotor nam châm Ferrite và nam châm hợp kim là gì?

Văn bản nêu rõ nam châm Ferrite có giá thành rẻ nhưng mật độ từ thông trên một đơn vị thể tích thấp. Ngược lại, nam châm làm từ vật liệu hợp kim có mật độ từ thông trên đơn vị thể tích cao hơn nhiều. Do đó, với cùng một thể tích rotor, rotor sử dụng nam châm hợp kim tạo ra mômen lớn hơn nhiều so với rotor dùng nam châm Ferrite, hoặc cho phép thu nhỏ đáng kể kích thước rotor mà vẫn đạt được mômen yêu cầu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trương Quỳnh Lâm đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, cấu tạo và mô hình toán học giải tích của hệ truyền động động cơ BLDC ba pha. Công trình phân tích chi tiết cơ chế chuyển mạch điện tử 6 bước theo các sector góc điện, thiết lập phương trình đặc tính cơ xác lập và tổng hợp các giải pháp điều khiển không cảm biến vị trí rotor dựa trên sức phản điện động, biến đổi cảm ứng và từ thông móc vòng. Mặc dù dừng lại ở phạm vi nghiên cứu lý thuyết giải tích và chưa triển khai thực nghiệm phần cứng, đồ án là tài liệu tham khảo có cấu trúc khoa học và giá trị học thuật rõ ràng cho chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNGCHỔI THAN (BLDC) 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC [1] Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bịmòn 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 thếchức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vịtrí 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. So sánh BLDC với động cơ một chiều thông thường: Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thường 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 nghệhiện tại, ta thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng.1 so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này.

Khi nói về chức năng của động cơ điện, không được 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 thường, sự đổi chiềuđược thực hiện bởi cổ góp và chổi than. 2 Ngược lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT.1: So sánh động cơ BLDC với ĐCMC thông thường Nội dung ĐCMC thông thường ĐCMC không chổi than Cấu trúc cơ Mạch kích từ nằm trên stato Mạch khích từ nằm trên rotor khí Tính năng đặc Đáp ứng nhanh và dễ điều Đáp ứng chậm hơn.

Dễ bảo biệt khiển dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng) Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn. Đơn giản nhất Cao áp :Ba pha nối Y hoặc Δ là nối Δ Bình thường: Dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha. Đơn giản nhất: nối 2 pha Phương pháp Tiếp xúc cơ khí giữa chổi Chuyên mạch điện tử sử dụng đổi chiều than và cổ góp thiết bị bán dẫn như transitor,IGBT. Phương pháp Tự động xác định bằng chổi Sử dụng cảm biến vị trí :phần xác định vị than tử Hall, cảm biến quang học trírotor (otical encoder) Phương pháp Đảo chiều điện áp Sắp xếp lại thứ tự của các tín đảo chiều nguồn (cấp cho phần hiệu logic ứng hoặc mạch kích từ) 3 1.

CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC 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.1 minh họa cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình: Hình 1.1:Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản. Stato Khác với động cơ một chiều thông thường, 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 nhưng thường là dây quấn ba pha (hình 1.Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác Δ.2: Stato của động cơ BLDC Stator của động cơ 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. Theo truyền thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được 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 được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo 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 5 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. Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha. Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp.

Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp. Rotor Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng. Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu.Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau.3: Rotor của động cơ BLDC Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp được chọn tương ứng.

Nam châm Ferrite thường được sử dụng. Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm Ferrite rẻ hơn nhưng mật độ từ thông trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi đó, 6 vật liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự.

Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite.4: Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than 1. Cảm biến vị trí rotor [2] Như chúng ta đã thấy đổi chiều dòng điện căn cứ vào vị trí của từ thông rotor do đó vấn đề xác định vị trí từ thông rotor là rất quan trọng. Để xác định vị trí từ thông rotor ta dùng các thiết bị cảm biến. Có những thiết bị cảm biến sau: - Cảm biến Hall; - Cảm biến từ trở MR (magnettoresistor sensor); - Đèn led hoặc trasito quang.

Cảm biến Hall Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall). Hiệu ứng Hall được E.Hall tìm ra năm 1879 và được mô tả như sau: khi một dây dẫn điện đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tác động một lực lên các điện tích đang chuyển động trong dây điện và có khuynh hướng đẩy chúng sang một bên của dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng 7 tấm mỏng. Sự tích tụ các điện tích ở một bên dây dẫn làm xuất hiện điện áp giữa hai mặt của dây dẫn.

Điện áp này có độ lớn tỉ lệ với cường độ từ trường và cường độ dòng điện qua dây dẫn. Mô hình phần tử cảm biến Hall Ur = (Kh IB) / d Các cảm biến vị trí rotor có nhiệm vụ cung cấp thông tin về vị trí của rotor cho mạch điều khiển cấp điện cho các cuộn dây stato. Cần chú ý là Hall sensor được gắn trên stato của BLDC chứ không phải trên rotor. Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao.

Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến những sai số khi xác định vị trí rotor. Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm các nam châm phụ trên rotor để phục vụ cho việc xác định vị trí rotor. Các nam châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được gắn trên phần trục rotor nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh. Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than- cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống.

Bộ cảm biến từ trở (MR) Từ thông làm thay đổi điện trở mạch, với phương pháp này có thể phát hiện chính xác từ thông. Dùng đền LED transistor quang và màn chắn (shutter) Trên hình 1.6 biểu diện hệ thống xác định vị trí từ thông dùng transistor quang hay màn chắn Hình 1.Thiết bị cảm biến vị trí rotor dùng quang Hoạt động của nó như sau: Một transistor PT1 ở trạng thái dẫn thì 2 transistor còn lại ở trạng thái tắc (PT2 và PT3).7 trình bày hoạt động cụ thể của động cơ truyên động BLDC dùng transistor quang để phát hiện vị trí từ thông.7a là sơ đồ nguyên lý, còn hình 1.7b là sơ đồ tương đương.7a ta thấy 3 cuộn dây stato một đầu được nối với nguồn DC, đầu còn lại nối với 1 transistor quang. Phần quang học (PY) của các transistor này được gắn trên một màn che trong đó diện tích che phủ của màn che chỉ là 9 240⁰ như vậy tại một thời điểm luôn chỉ có một phần tử quang PT của một transistor được chiếu sáng, 2 transistor còn lại không được chiếu sáng. Transistor được chiếu sáng sẽ dẫn, 2 transistor còn lại không được chiếu sáng sẽ không dẫn.