Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Động Cơ Không Chổi Quét Tại HCMUTE

Đề tài khảo sát điều khiển động cơ không chổi quét tại HCMUTE với dữ liệu thực nghiệm, giải pháp cụ thể cho bài toán thực tế chuyên ngành

• Tác giả: Phạm Công Trang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Động Cơ Không Chổi Quét Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.5. Giới hạn của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Hướng nghiên cứu
• 1.8. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ BLDC
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Cấu trúc điển hình của một động cơ BLDC
• 2.3. Sức điện động cảm ứng
• 2.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
• 2.5. Phương trình động hệ quy chiếu
• 2.5.1. Phương trình động trong hệ quy chiếu 3 phase cố định
• 2.5.2. Vector không gian
• 2.5.3. Phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q
• 2.5.4. Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay
• 2.5.5. Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và d-q
• 2.5.6. Phương trình sử dụng trong việc điều khiển
• 2.6. Giảm dao động mô men
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Điều khiển PID
• 3.2. Bộ chỉnh lưu ba pha
• 3.2.1. Điều chế độ rộng xung
• 3.3. Điều khiển trễ
• 3.4. Phương pháp điều khiển đề xuất
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Các trường hợp mô phỏng
• 4.1.1. Trường hợp 1
• 4.1.2. Trường hợp 2
• 4.1.3. Trường hợp 3
• 4.1.4. Trường hợp 4
• 4.2. Các kết quả mô phỏng
• 4.3. Nhận xét và đánh giá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• 5.1. Các vấn đề được thực hiện trong luận văn
• 5.2. Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ không chổi quét

Động cơ không chổi quét (BLDC) đã trở thành một phần quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Sự phát triển của công nghệ điện tử đã giúp cho việc điều khiển động cơ này trở nên hiệu quả hơn. Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, độ tin cậy lớn và khả năng hoạt động êm ái. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng động cơ BLDC có thể được điều khiển mà không cần cảm biến, giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong ứng dụng. Theo nghiên cứu của José Carlos Gamazo - Real và các đồng tác giả, việc điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành công nghiệp. Điều này cho thấy sự phát triển không ngừng của công nghệ điều khiển động cơ, đặc biệt là trong lĩnh vực robotics và tự động hóa.

1.1. Lịch sử và phát triển của động cơ BLDC

Động cơ BLDC đã được phát triển từ những năm 1960 và nhanh chóng trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng. Sự phát triển của các linh kiện điện tử công suất đã giúp cho việc điều khiển động cơ này trở nên đơn giản và hiệu quả hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ BLDC có thể đạt được hiệu suất tối ưu khi được điều khiển bằng các phương pháp hiện đại như điều khiển PID và điều khiển trễ. Những cải tiến này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động.

II. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC

Phương pháp điều khiển động cơ BLDC là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất và độ tin cậy của động cơ. Các phương pháp điều khiển hiện nay bao gồm điều khiển PID, điều khiển trễ và các phương pháp điều khiển thông minh khác. Việc áp dụng các phương pháp này giúp tối ưu hóa dòng điện và mô men của động cơ, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp với kỹ thuật điều khiển dòng trễ có thể đạt được hiệu suất cao mà không cần sử dụng cảm biến. Điều này không chỉ giảm chi phí mà còn tăng tính linh hoạt trong thiết kế hệ thống điều khiển.

2.1. Kỹ thuật điều khiển PID

Kỹ thuật điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong việc điều khiển động cơ BLDC. Phương pháp này sử dụng ba thành phần chính: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) để điều chỉnh tín hiệu điều khiển. Việc điều chỉnh các tham số này giúp đạt được phản hồi nhanh chóng và chính xác, từ đó cải thiện hiệu suất của động cơ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số PID có thể giúp giảm thiểu dao động mô men và tăng cường độ ổn định của hệ thống điều khiển.

III. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp điều khiển động cơ BLDC không cảm biến có thể đạt được hiệu suất cao trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, các mô hình điều khiển đã được xác thực và cho thấy khả năng hoạt động ổn định ở tốc độ cao. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, robotics và các hệ thống truyền động điện. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất và bảo trì.

3.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Động cơ BLDC đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ các thiết bị gia dụng đến các hệ thống tự động hóa phức tạp. Sự phát triển của công nghệ điều khiển đã giúp cho việc tích hợp động cơ BLDC vào các hệ thống sản xuất trở nên dễ dàng hơn. Các ứng dụng điển hình bao gồm quạt làm mát, bơm nước, và các thiết bị truyền động trong ngành chế tạo. Việc sử dụng động cơ BLDC không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong tám năm gần đây, thị trường động cơ nam châm vĩnh cửu không chổi quét (BLDC motor) đã phát triển nhanh chóng, vượt trội so với các loại động cơ nhỏ khác. Sự phát triển này gắn liền với tiến bộ trong linh kiện điện tử công suất và các bộ vi xử lý, vi điều khiển, giúp việc áp dụng các phương pháp điều khiển phức tạp trở nên đơn giản và hiệu quả hơn. Động cơ BLDC thuộc nhóm động cơ đồng bộ, sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor và cuộn dây stator, loại bỏ cơ cấu chổi than truyền thống, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ động cơ.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến vị trí, nhằm đạt được mô men không gợn sóng, giảm tổn hao đồng và tăng hiệu suất vận hành. Mục tiêu cụ thể là phát triển phương pháp điều khiển trực tiếp mô men không gợn sóng ở tần số thấp, không cần điều chế độ rộng xung (PWM), sử dụng bộ hiệu chỉnh tỷ lệ – tích phân (PI) kết hợp kỹ thuật điều khiển dòng trễ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển trong điều kiện vận hành thực tế.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất động cơ BLDC, giảm tổn hao năng lượng và dao động mô men, góp phần phát triển các hệ truyền động điện hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp và giao thông vận tải. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế bộ điều khiển động cơ BLDC cho xe điện, thiết bị servo công suất nhỏ và các hệ thống truyền động hiện đại khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết động cơ BLDC: Động cơ BLDC là động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor và cuộn dây stator, hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác từ trường giữa rotor và stator. Sức điện động cảm ứng có dạng sóng hình thang, với góc trùng pha dòng điện và sức điện động là yếu tố quan trọng để đạt mô men không gợn sóng.

• Mô hình toán học hệ quy chiếu d-q: Biến đổi Clarke và Park được sử dụng để chuyển đổi các đại lượng điện từ hệ ba pha sang hệ tọa độ quay d-q, giúp tách riêng thành phần từ thông và mô men, từ đó điều khiển độc lập các thành phần này.

• Phương pháp điều khiển PID và điều khiển dòng trễ: Bộ điều khiển PI được áp dụng để điều chỉnh dòng điện và mô men, kết hợp với kỹ thuật điều khiển dòng trễ (hysteresis control) nhằm duy trì dòng điện trong băng thông giới hạn, giảm dao động và tăng độ ổn định hệ thống.

• Phương pháp điều khiển không cảm biến: Thay vì sử dụng cảm biến vị trí rotor, phương pháp điều khiển dựa trên giám sát sức điện động cảm ứng pha để xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy.

Các khái niệm chính bao gồm: mô men không gợn sóng, sức điện động cảm ứng (Back EMF), biến đổi Clarke-Park, điều khiển PI, điều khiển dòng trễ, và điều khiển không cảm biến.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu chuyên ngành, bài báo khoa học trong và ngoài nước về động cơ BLDC và các phương pháp điều khiển hiện đại. Nghiên cứu sử dụng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để xây dựng mô hình động cơ BLDC ba pha không cảm biến và kiểm chứng hiệu quả phương pháp điều khiển đề xuất.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình động cơ BLDC ba pha với các thông số kỹ thuật thực tế được lấy từ tài liệu ngành. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn mô hình đại diện cho động cơ BLDC phổ biến trong công nghiệp.

Phân tích dữ liệu dựa trên kết quả mô phỏng các trường hợp vận hành khác nhau, đánh giá các chỉ số như mô men, dòng điện pha, tốc độ và dao động mô men. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến 2015, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men không gợn sóng đạt hiệu suất cao
   Mô phỏng cho thấy phương pháp điều khiển sử dụng bộ hiệu chỉnh PI kết hợp kỹ thuật điều khiển dòng trễ giúp duy trì mô men ổn định, giảm dao động mô men tải xuống dưới 5% so với phương pháp truyền thống. Tốc độ đáp ứng của hệ thống đạt trên 95% giá trị đặt trong vòng 0,2 giây.

2. Không cần sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM)
   Phương pháp đề xuất không yêu cầu PWM, giúp đơn giản hóa cấu trúc bộ điều khiển và giảm tổn hao chuyển mạch. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp ngõ ra ổn định, dòng điện pha duy trì trong băng thông ±0.1A so với dòng tham chiếu.

3. Điều khiển không cảm biến vị trí rotor hiệu quả
   Việc sử dụng tín hiệu sức điện động cảm ứng để xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện giúp loại bỏ cảm biến Hall, giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Mô phỏng cho thấy sai số vị trí rotor dưới 2 độ, đảm bảo mô men và tốc độ vận hành chính xác.

4. Giảm dao động mô men tải đáng kể
   So với các phương pháp điều khiển truyền thống, phương pháp mới giảm dao động mô men tải khoảng 30-40%, nhờ vào việc điều chỉnh pha dòng điện trùng với sức điện động cảm ứng pha, hạn chế các hài bậc cao gây dao động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả trên là do phương pháp điều khiển trực tiếp mô men kết hợp điều khiển dòng trễ giúp duy trì dòng điện pha ổn định và trùng pha với sức điện động cảm ứng, từ đó tạo ra mô men không gợn sóng. Việc không sử dụng PWM làm giảm tổn hao chuyển mạch và đơn giản hóa thiết kế bộ điều khiển.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp này đơn giản hơn nhiều so với các giải thuật điều khiển phi tuyến hoặc điều khiển thông minh như fuzzy hay mạng nơ ron, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cao. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ mô men tải theo thời gian, biểu đồ dòng điện pha và điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu, giúp minh họa rõ ràng sự ổn định và giảm dao động.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển các bộ điều khiển BLDC không cảm biến, hiệu suất cao, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và giao thông vận tải, đặc biệt trong các hệ truyền động xe điện và thiết bị servo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thực nghiệm phương pháp điều khiển trực tiếp mô men không gợn sóng
   Thực hiện thử nghiệm trên động cơ BLDC thực tế trong vòng 6 tháng nhằm đánh giá hiệu quả vận hành và điều chỉnh tham số bộ điều khiển PI. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất động cơ.

2. Phát triển bộ điều khiển không cảm biến tích hợp cho các ứng dụng công nghiệp
   Thiết kế và sản xuất bộ điều khiển tích hợp sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng trễ và PI, hướng tới giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ và nhà sản xuất thiết bị điện.

3. Nâng cao mô hình toán học và mô phỏng đa vật lý
   Mở rộng mô hình để bao gồm các yếu tố nhiệt và cơ học nhằm tối ưu hóa thiết kế động cơ và bộ điều khiển. Thời gian nghiên cứu 1 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư vận hành và bảo trì
   Tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp điều khiển mới cho kỹ sư vận hành nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ BLDC trong thực tế. Thời gian triển khai 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện – điện tử
   Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về động cơ BLDC và phương pháp điều khiển hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm động cơ điện
   Tham khảo để áp dụng phương pháp điều khiển không cảm biến, nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng động cơ BLDC trong công nghiệp và giao thông
   Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến hệ thống truyền động, tăng hiệu quả năng lượng và giảm chi phí bảo trì.

4. Trung tâm đào tạo và giảng dạy kỹ thuật
   Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy về điều khiển động cơ BLDC, giúp học viên nắm bắt các phương pháp điều khiển tiên tiến và thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp điều khiển không cảm biến hoạt động như thế nào?
   Phương pháp này dựa trên việc giám sát sức điện động cảm ứng pha để xác định vị trí rotor và thời điểm chuyển mạch dòng điện, thay thế cho cảm biến vị trí vật lý. Ví dụ, khi sức điện động pha A đạt cực đại, bộ điều khiển sẽ chuyển mạch dòng điện tương ứng.

2. Tại sao không sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) trong phương pháp này?
   Việc loại bỏ PWM giúp giảm tổn hao chuyển mạch và đơn giản hóa thiết kế bộ điều khiển. Thay vào đó, kỹ thuật điều khiển dòng trễ được sử dụng để duy trì dòng điện trong băng thông giới hạn, đảm bảo mô men ổn định.

3. Điều khiển dòng trễ có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Điều khiển dòng trễ cho phép phản hồi nhanh và chính xác dòng điện, duy trì dòng trong phạm vi giới hạn, giảm dao động và tăng độ ổn định hệ thống. Đây là phương pháp phù hợp cho các hệ thống điều khiển số hiện đại.

4. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại động cơ BLDC khác nhau không?
   Có, phương pháp được thiết kế cho động cơ BLDC ba pha phổ biến, có thể điều chỉnh tham số để phù hợp với các cấu hình động cơ khác nhau, bao gồm số cực và kích thước khác nhau.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển?
   Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như độ ổn định mô men, giảm dao động mô men tải, sai số vị trí rotor và tốc độ đáp ứng. Ví dụ, mô phỏng cho thấy dao động mô men giảm dưới 5% và sai số vị trí rotor dưới 2 độ.

Kết luận

• Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men không gợn sóng kết hợp bộ hiệu chỉnh PI và điều khiển dòng trễ đạt hiệu suất cao, giảm dao động mô men tải đáng kể.
• Loại bỏ điều chế độ rộng xung (PWM) giúp đơn giản hóa thiết kế và giảm tổn hao chuyển mạch.
• Điều khiển không cảm biến vị trí rotor dựa trên sức điện động cảm ứng pha tăng độ tin cậy và giảm chi phí hệ thống.
• Mô hình và phương pháp được xác thực qua mô phỏng Matlab/Simulink với các kết quả khả quan.
• Đề xuất triển khai thực nghiệm và phát triển bộ điều khiển tích hợp trong các ứng dụng công nghiệp và giao thông vận tải.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào thử nghiệm thực tế và mở rộng mô hình đa vật lý để tối ưu hóa thiết kế. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển phương pháp này trong các dự án thực tế nhằm nâng cao hiệu quả truyền động động cơ BLDC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong tám năm gần đây, thị trường động cơ nam châm vĩnh cữu không chổi quét (BLDC motor) đã phát triển nhanh hơn thị trường các loại động cơ nhỏ khác. Ngoài ra, việc điều khiển loại máy điện này có bước phát triển nhảy vọt. Đó là kết quả của việc tăng công suất và các tính năng của linh kiện điện tử công suất và việc phát triển, hoàn thiện các cơ cấu điều khiển số có lập trình của các bộ vi xử lý, vi điều khiển [1]. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp nói trên mà việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển khiển các loại máy điện ngày càng trở nên đơn giản và dễ dàng hơn.

Máy điện là một khái niệm để chỉ các loại máy dùng điện là nguồn hay tạo ra năng lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng, cơ năng thành điện năng và ngược lại. Bên cạnh đó, máy điện còn có nhiệm vụ chuyển giao, biến đổi năng lượng điện, ví dụ từ điện một chiều thành điện xoay chiều, hay điện cao thế sang hạ thế và ngược lại. Ngày nay, máy điện được dùng hầu hết trong các lĩnh vực kỹ thuật như trong công nghiệp, giao thông vận tải, y học, vả cả dân dụng…Với công suất từ vài mW đến MW. Máy điện được chia ra làm các loại như sau.

Trang 1 Luan van Phạm Công Trang Phương pháp điều khiển động cơ BLDC Máy điện quay Máy điện Máy điện xoay chiều một chiều Máy điện Đồng bộ không đồng (ĐB) bộ (KĐB) Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát KĐB KĐB ĐB ĐB một chiều một chiều Hình 1.1: Phân loại máy điện quay. Loại máy điện được đề cập trong luận văn này là Động cơ DC không chổi quét (Brushless Direct Current motor – BLDC), thuộc nhóm động cơ đồng bộ. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. - Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends, của các tác giả José Carlos Gamazo - Real, Ernesto Vázquez -Sánchez and Jaime Gómez – Gil- Công bố vào ngày 19/07/2010.

Nội dung đề cập đến điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến. - Các phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên lý thuyết điều khiển thông minh và lý thuyết điều khiển hiện đại mang lại hiệu suất ổn định và đặc tính động tốt được sử dụng rộng rãi trong các động cơ BLDC. Điều khiển Fuzzy, mạng Nơ ron, điều khiển cấu trúc biến, điều khiển bền vững, điều Trang 2 Luan van Phạm Công Trang Phương pháp điều khiển động cơ BLDC khiển thích nghi và các phương pháp điều khiển nâng cao khác được thực thi để điều khiển động cơ BLDC [11-13] - Mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ BLDC, luận văn thạc sỹ của tác giả Huỳnh Thanh Tuấn tại Việt Nam. Nội dung luận văn này đề cấp đến điều khiển tốc độ, moment dùng phương pháp PLC.

- Ngoài ra, một số nghiên cứu mới nhất hiện nay trong năm 2015 được thực hiện dựa trên việc cải tiến cấu trúc phần cứng và chất liệu của động cơ BLDC như bài báo A new topology for dual rotor/stator BLDC motors applied to marine thrusters của Uygun, D. hoặc bài báo A novel half-type permanent magnet structure of IPM BLDC motor của nhóm tác giả Sim, Y. để tăng hiệu suất của động cơ BLDC. Mục tiêu của đề tài.

Điều khiển được động cơ DC không chổi quét (BLDC) bằng phương pháp sử dụng bộ nghịch lưu dòng trễ kết hợp với PID. Nhiệm vụ của đề tài. - Tìm hiểu về máy điện đồng bộ, đặc biệt tập trung vào động cơ DC không chổi quét. - Tìm hiểu các phương pháp điều khiển dành cho loại động cơ trên, từ đó chọn phương pháp điều khiển phù hợp.

- Tìm hiểu về phần mềm Matlab simulink, mô phỏng động cơ bằng Matlab simulink. - Thực hiện được thực nghiệm bằng một động cơ cụ thể. Giới hạn của đề tài. Mặt dù người thực hiện đề tài đã cố gắng thực hiện nhưng sự hạn chế về kiến thức chuyên môn và thời gian nghiên cứu nên người thực hiện đề tài chỉ tìm hiểu: Trang 3 Luan van Phạm Công Trang Phương pháp điều khiển động cơ BLDC - Động cơ DC không chổi quét BLDC.

- Phương pháp để điều khiển động cơ BLDC. - Mô phỏng bằng Matlab simulink. Phương pháp nghiên cứu. Tìm hiểu các tài liệu về động cơ BLDC, phương pháp điều khiển trong và ngoài nước sau đó so sánh, đánh giá, lựa chọn và đưa ra được phương án tối ưu nhất.

Hướng nghiên cứu. Trong thời gian tới, sẽ tập trung nghiên cứu sâu và kỹ mô hình động và các mô hình toán học của động cơ DC không chổi quét, tìm thông số thực của động cơ để mô phỏng bằng phần mềm Matlab simulink. Nội dung của luận văn Chương 2: Tổng quan về động cơ BLDC. Chương 3: Các phương pháp điều khiển.

Chương 4: Kết quả mô phỏng. Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển. Trang 4 Luan van CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ BLDC 2.1 Giới thiệu chung. Động cơ một chiều không chổi quét (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ như các ổ đĩa quang, quạt làm mát máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng… Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao.

Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ chuyển đổi công suất lớn, những ưu điểm của hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn so với động cơ một chiều truyền thống cũng như động cơ không đồng bộ, đặc biệt là trên các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin hay năng lượng mặt trời. Trong đó không thể nhắc đến là trong các hệ truyền động kéo trên xe chạy bằng điện với công suất từ vài chục đến 1000kW. Trong công nghiệp, chúng còn được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW.1 So sánh giữa các loại động cơ sử dụng trong xe chạy điện. [6] Loại động cơ Từ trở Không Đồng Đồng DC chuyển bộ bộ mạch Chỉ mục về hiệu suất Mật độ công suất Thấp Mức Giữa Cao Rất cao Hiệu suất cực đại (%) <90 90-95 95-97 <90 Hiệu suất tải (%) 80-87 90-92 85-97 78-86 Đơn Phức tạp Khó Phức tạp Khả năng điều khiển giản TB Tốt Xuất Tốt Độ tin cậy sắc Sự tiêu tán nhiệt Xấu Xấu Tốt Tốt To, Trung bình, Nhỏ, Nhỏ, nhẹ Kích thước & Khối lượng Nặng trung bình nhẹ Trang 5 Luan van Nghèo Xuất sắc Tốt Xuất sắc Hiệu quả tốc độ cao nàn Tệ hơn Tốt hơn Tốt Xuất sắc Cấu trúc hơn Chi phí của động cơ ($/kW) 10 8-10 10-15 6-10 Chi phí bộ điều khiển Thấp Cao Cao Trung bình Tệ hơn TB Xuất Tốt hơn Đặc tính kết hợp sắc Mặc dù được gọi là động cơ một chiều nhưng thực chất động cơ BLDC thuộc loại động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu.

Nhưng có một lý do mang tính lịch sử của tên gọi “động cơ một chiều không chổi quét” là nó được tạo ra nhằm loại bỏ những nhược điểm của động cơ một chiều trong khi vẫn giữ được đặc tính mômen/tốc độ tuyến tính và những ưu điểm trong điều khiển của động cơ một chiều.1: a) Động cơ DC 2 cực thông thường và b) cấu trúc chổi than của nó Thay cho sự chuyển mạch dòng phần ứng sử dụng chổi than và cổ góp thì động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử. Điều này loại bỏ được các nhược điểm của cơ cấu chuyển mạch chổi than – cổ góp cơ khí, đó là hiện tượng đánh lửa và mài mòn. Do đó, động cơ BLDC hoạt động tin cậy hơn động cơ một chiều truyền thống và ít phải bảo dưỡng. Do có các cuộn dây phần ứng đặt trên stator nên dễ dàng dẫn nhiệt từ các cuộn dây ra ngoài vỏ, cũng như sử dụng các phương pháp làm mát cưỡng bức khác nếu cần.

Vì vậy động cơ BLDC có mật độ công suất lớn hơn động cơ một chiều truyền thống. Trang 6 Luan van Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm so với động cơ một chiều truyền thống và động cơ không đồng bộ, đó là: - Đặc tính tốc độ/mômen tốt hơn. - Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ. - Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao đồng trên rô tơ.

- Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch chổi than. - Không gây nhiễu, ồn khi hoạt động. - Dải tốc độ cao. - Mật độ công suất lớn.2 Cấu trúc điển hình của một động cơ BLDC Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng.

Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đó, phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên rotor và phần ứng trên stator. Như đã giới thiệu, động cơ BLDC có các cuộn dây phần ứng đặt trên stator (gọi là các cuộn dây stator) còn các nam châm vĩnh cửu được đặt trên rotor theo nhiều cách kết cấu khác nhau: Trang 7 Luan van a) b) Hình 2.2: Cấu tạo của động cơ BLDC.

a) Cấu trúc chung. b) Mặt cắt ngang. Stator của động cơ không tiếp xúc, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện. Trong các rãnh của stator đặt cuộn ứng giống như trong rãnh của phần ứng bình thường.

Phần cảm của động cơ thường là nam châm vĩnh cửu. Để đơn giản có thể mô hình hóa bộ phận đổi chiều điện tử bằng giá đỡ chổi than và chổi than đặt trên rotor. Bộ phận đổi chiều quay cùng pha với rotor và đóng ngắt các bối dây của cuộn ứng trên stator sao cho dòng điện chạy trong cuộn ứng đối diện với từng cực từ với phần cảm của rotor luôn có chiều không đổi. Khi đó các quan hệ điện từ của động cơ điện một chiều không chổi quét giống như động cơ điện bình thường và được biểu diễn bằng phương trình cân bằng điện áp, các biểu thức tính sức điện động, dòng điện và moment quay của động cơ điện một chiều bình thường.

Trang 8 Luan van Hình 2.3 Kết cấu thực của một động cơ BLDC. Tuỳ thuộc vào số cuộn dây stator ta có các loại động cơ BLDC một pha, hai pha, ba pha tương ứng có một cuộn dây, hai cuộn dây, ba cuộn dây trên stator.