Luận văn tốt nghiệp về động cơ 1 chiều không chổi than và phương pháp điều khiển không cảm biến

Phân tích toàn diện động cơ BLDC không chổi than và phương pháp điều khiển không cảm biến, đề xuất mô hình mới, nâng cao hiệu quả ứng dụng trong

• 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: MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 2: PHÁT HIỆN EMF TRỰC TIẾP CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG CẢM BIẾN
• 3. CHƯƠNG 3: MẠCH CẢI TIẾN PHÁT HIỆN TRỰC TIẾP SỨC PHẢN ĐIỆN ĐỘNG
• 4. CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ VỚI SƠ ĐỒ KHÔNG CẢM BIẾN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ BLDC

Động cơ BLDC (động cơ không chổi than) là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa. Với hiệu suất cao và độ tin cậy lớn, động cơ này đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của động cơ BLDC là không sử dụng chổi than, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và bảo trì. Theo nghiên cứu, động cơ này có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không cần bảo trì định kỳ. Điều này làm cho nó trở thành một giải pháp lý tưởng cho các hệ thống yêu cầu độ tin cậy cao trong môi trường khắc nghiệt. Việc áp dụng động cơ BLDC trong các thiết bị gia dụng và công nghiệp đang ngày càng gia tăng, nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng và hiệu suất vượt trội.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Động cơ BLDC được cấu tạo từ hai phần chính: stato và rôto. Rôto thường được trang bị nam châm vĩnh cửu, trong khi stato chứa các cuộn dây. Nguyên lý hoạt động của động cơ này dựa trên việc điều khiển dòng điện qua các cuộn dây để tạo ra từ trường, từ đó làm cho rôto quay. Sự chuyển đổi giữa các pha được thực hiện thông qua các công tắc điện tử, giúp động cơ hoạt động mượt mà và hiệu quả. Việc sử dụng công nghệ điều khiển số cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn một cách chính xác, đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng khác nhau.

II. Phương pháp điều khiển không cảm biến

Phương pháp điều khiển không cảm biến cho động cơ BLDC đã thu hút sự quan tâm lớn trong những năm gần đây. Phương pháp này giúp loại bỏ sự cần thiết của các cảm biến vị trí, giảm chi phí và kích thước của hệ thống. Thay vào đó, nó sử dụng sức phản điện (EMF) để xác định vị trí của rôto. Điều này không chỉ giúp đơn giản hóa thiết kế mà còn tăng độ tin cậy của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc phát hiện EMF có thể thực hiện một cách hiệu quả mà không cần đến cảm biến, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của động cơ BLDC trong các lĩnh vực như robotics và công nghiệp tự động hóa.

2.1. Lợi ích của điều khiển không cảm biến

Điều khiển không cảm biến mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống động cơ BLDC. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu chi phí sản xuất do không cần sử dụng các cảm biến phức tạp. Thứ hai, hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, dễ dàng lắp đặt và bảo trì. Cuối cùng, việc loại bỏ cảm biến cũng giúp tăng độ tin cậy của động cơ, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Nghiên cứu cho thấy rằng động cơ BLDC không cảm biến có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau mà không gặp phải các vấn đề thường gặp ở các hệ thống có cảm biến.

III. Ứng dụng thực tiễn của động cơ BLDC

Động cơ BLDC không chổi than và phương pháp điều khiển không cảm biến đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành công nghiệp, động cơ này được sử dụng trong các thiết bị như bơm, quạt, và máy móc tự động. Nhờ vào hiệu suất cao và khả năng tiết kiệm năng lượng, động cơ BLDC đang trở thành lựa chọn ưu tiên cho các nhà sản xuất. Ngoài ra, trong lĩnh vực robotics, động cơ BLDC cho phép các robot hoạt động linh hoạt và chính xác hơn, nhờ vào khả năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn một cách chính xác.

3.1. Tương lai của động cơ BLDC

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, động cơ BLDC dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng ứng dụng trong tương lai. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, việc tích hợp công nghệ điều khiển thông minh sẽ giúp động cơ BLDC hoạt động hiệu quả hơn trong các ứng dụng phức tạp. Sự phát triển của các vật liệu mới và công nghệ chế tạo cũng sẽ góp phần nâng cao khả năng cạnh tranh của động cơ BLDC trên thị trường toàn cầu.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor - BLDC) là loại máy điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng nhờ hiệu suất cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng, kích thước nhỏ gọn, độ ồn thấp và không đòi hỏi bảo dưỡng cơ học định kỳ như động cơ một chiều truyền thống. Theo số liệu khảo sát thị trường thiết bị gia dụng được tác giả dẫn giải, nhu cầu truyền động động cơ điện tử (EMDs) đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm 26% trong giai đoạn từ năm 2000 đến năm 2005. Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn mới về hiệu quả năng lượng của chính phủ Hoa Kỳ cùng yêu cầu khắt khe từ ngành công nghiệp ô tô và hệ thống sưởi, thông gió, điều hòa không khí (HVAC) đã thúc đẩy chuyển đổi mạnh mẽ từ các dòng động cơ xoay chiều một pha cổ điển (pha tách, khởi động tụ, động cơ vạn năng) và động cơ một chiều có chổi than sang động cơ BLDC. Điển hình trong hệ thống bơm nhiên liệu ô tô, động cơ có chổi than chỉ đạt tuổi thọ trung bình khoảng 6.000 giờ do giới hạn mài mòn của vành góp và chổi than (tương đương dưới 1 năm sử dụng ở một số dòng xe chuyên dụng), trong khi động cơ BLDC nâng tuổi thọ vận hành lên xấp xỉ 15.000 giờ, cao gấp gần 3 lần.

Mặc dù có nhiều ưu thế vượt trội, việc điều khiển động cơ BLDC đòi hỏi phải biết chính xác vị trí góc quay của rotor để phục vụ quá trình chuyển mạch biến tần ba pha theo đúng góc pha của sức phản điện động (Back-EMF). Các phương pháp truyền thống sử dụng cảm biến vị trí cơ học như cảm biến hiệu ứng Hall, bộ phân giải góc quay (resolver) hay bộ mã hóa quang học bộc lộ nhiều điểm yếu: làm tăng chi phí chế tạo, đòi hỏi không gian lắp đặt và dây dẫn phức tạp, đồng thời cảm biến Hall đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ, thường bị giới hạn hoạt động dưới 75°C và dễ hỏng hóc trong môi trường khắc nghiệt. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) là một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

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

1. Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các phương pháp điều khiển không cảm biến cho động cơ BLDC.
2. Phân tích bản chất và hạn chế của các phương pháp phát hiện sức phản điện động thông thường dựa trên điểm trung tính ảo.
3. Nghiên cứu phương pháp phát hiện trực tiếp sức phản điện động (Direct Back-EMF Detection) không sử dụng điểm trung tính động cơ thông qua chiến lược điều chế độ rộng xung (PWM) thích hợp.
4. Khảo sát kiến trúc phần cứng vi điều khiển tích hợp chuyên dụng ST72141 và đánh giá các dạng sóng thực nghiệm.
5. Phân tích các hiện tượng sai lệch ở dải tốc độ thấp/điện áp thấp và đề xuất các sơ đồ mạch cải tiến nhằm mở rộng dải làm việc.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống truyền động động cơ một chiều không chổi than ba pha và thuật toán xác định vị trí rotor không cảm biến dựa trên tín hiệu sức phản điện động. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và thực nghiệm được tiến hành trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện tự động công nghiệp tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng (giai đoạn từ ngày 30 tháng 03 năm 2020 đến ngày 30 tháng 06 năm 2020), dựa trên việc khảo sát tài liệu công nghệ bán dẫn quốc tế và dòng vi điều khiển tín hiệu hỗn hợp ST72141, ST7MC của hãng STMicroelectronics.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, động cơ BLDC ba pha cấu tạo gồm rotor là nam châm vĩnh cửu và stator bố trí các cuộn dây ba pha đối xứng tạo ra dạng sóng sức phản điện động hình thang. Động cơ được cấp nguồn từ biến tần cầu ba pha hoạt động theo chế độ dẫn 120 độ điện sáu bước (six-step inverter). Thứ tự chuyển mạch của các pha trong một chu kỳ điện bao gồm 6 bước liên tiếp: AB - AC - BC - BA - CA - CB. Trong mỗi bước kéo dài 60 độ điện, chỉ có hai pha đồng thời dẫn dòng điện từ nguồn, pha còn lại ở trạng thái hở mạch (pha nổi). Để tạo ra mô-men xoắn cực đại và không đổi ở tốc độ xác lập, dòng điện pha dạng chữ nhật cần được cấp đồng pha với sức phản điện động hình thang, nghĩa là thời điểm chuyển mạch của các van bán dẫn phải được kích hoạt trễ 30 độ điện sau thời điểm sức phản điện động của cuộn dây hở đi qua điểm 0 (zero-crossing point).

Để xác định điểm cắt không của sức phản điện động trên pha hở mạch, các nghiên cứu trước đây áp dụng nhiều phương pháp khác nhau:

• Phương pháp điểm trung tính ảo (Virtual Neutral Point): Được đề xuất bởi Erdman và Uzuka, sử dụng mạng điện trở để thiết lập một điểm trung tính nhân tạo mô phỏng điện thế điểm trung tính thực của động cơ đấu hình sao (Y), sau đó so sánh hiệu điện thế giữa điểm trung tính ảo này với điện áp đầu cực pha hở.
• Phương pháp tích hợp sức phản điện động: Tích hợp điện áp pha hở để giảm độ nhạy với nhiễu đóng ngắt của van bán dẫn.
• Phương pháp dựa trên thành phần sóng hài bậc ba: Trích xuất sóng hài bậc ba của điện áp stator để xác định vị trí rotor.
• Phương pháp phát hiện trạng thái dẫn của diode tự do: Giám sát trạng thái dẫn của các diode mắc song song ngược với các khóa công suất trong pha không kích thích.
• Các giải pháp vi mạch tương tự thương mại: Các chip chuyên dụng như UC3646 (Unitrode), ML4425 (Microlinear) và 32M595 (Silicon Systems).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

• Phân tích mô hình giải tích mạch điện: Xây dựng hệ phương trình vi phân và đại số mô tả điện áp nút tại pha hở và điểm trung tính của động cơ trong các khoảng thời gian đóng/cắt của tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM off-time và PWM on-time).
• Mô phỏng toán học: Sử dụng phần mềm Mathcad để mô phỏng sự suy giảm điện áp trên diode công suất và tính toán độ dịch chuyển của điểm cắt không khi biên độ sức phản điện động ở mức thấp.
• Phân tích số liệu thực nghiệm: Thu thập và đối chiếu các dạng sóng điện áp đầu cực, dòng điện pha, tín hiệu đầu ra của bộ so sánh cắt không và tín hiệu cảm biến Hall trên các hệ thống thử nghiệm thực tế (động cơ thử nghiệm A, động cơ thử nghiệm B và hệ thống bơm nhiên liệu ô tô).

Nguồn dữ liệu của đồ án bắt nguồn từ các công bố khoa học quốc tế về kỹ thuật điều khiển không cảm biến cho động cơ BLDC, các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành máy điện và tài liệu thiết kế vi mạch điều khiển động cơ của hãng STMicroelectronics.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Phương pháp phát hiện trực tiếp sức phản điện động được hiện thực hóa bằng cấu trúc phần cứng chuyên dụng tích hợp trong vi điều khiển 8-bit ST72141. Hệ thống điều khiển và truyền động bao gồm các khối chức năng chính sau:

+-------------------------------------------------------------+
|                      Vi điều khiển ST72141                  |
|                                                             |
|  +------------------+             +----------------------+  |
|  | Khối lấy mẫu     |             | Trình quản lý trễ    |  |
|  | đồng bộ EMF      |------------>| (Timer & Bộ nhân     |  |
|  | (Zero-Crossing)  |             | phần cứng 8x8)       |  |
|  +------------------+             +----------------------+  |
|                                              |              |
|                                              v              |
|  +------------------+             +----------------------+  |
|  | Trình quản lý    |             | Trình quản lý kênh   |  |
|  | PWM (Áp / Dòng)  |------------>| (Channel Manager -   |  |
|  +------------------+             | Chuyển mạch 6 bước)  |  |
|                                   +----------------------+  |
+----------------------------------------------|--------------+
                                               v
                                    +----------------------+
                                    | IC điều khiển cổng   |
                                    | (L6385 / L6387)      |
                                    +----------------------+
                                               |
                                               v
                                    +----------------------+
                                    | Biến tần cầu 3 pha   |
                                    | (6 MOSFET công suất) |
                                    +----------------------+
                                               |
                                               v
                                    +----------------------+
                                    | Động cơ BLDC         |
                                    +----------------------+

1. Khối phát hiện cắt không của sức phản điện động (Zero-Crossing Detector): Tín hiệu điện áp đầu cực từ 3 pha của động cơ được đưa trực tiếp vào vi điều khiển thông qua các điện trở giới hạn dòng điện và mạng diode kẹp bảo vệ ở mức 5V. Một bộ ghép kênh nội bộ (multiplexer) lựa chọn pha hở mạch tương ứng theo từng bước chuyển mạch. Tín hiệu này được so sánh với một điện áp chuẩn cố định gần bằng 0V (nối đất). Quá trình lấy mẫu được thực hiện đồng bộ trong khoảng thời gian khóa phía trên tắt (PWM off-time), và kết quả từ bộ so sánh được chốt lại tại thời điểm xuất hiện sườn lên (rising edge) của xung PWM tiếp theo.
2. Khối quản lý độ trễ (Delay Manager): Bao gồm bộ định thời (timer) và bộ nhân phần cứng 8x8, chịu trách nhiệm đếm khoảng thời gian giữa hai lần cắt không liên tiếp và tự động tạo thời gian trễ chính xác bằng 30 độ điện để phát xung chuyển mạch. Khối này cho phép vi điều khiển can thiệp bằng phần mềm để điều chỉnh góc chuyển mạch sớm phục vụ chế độ làm suy giảm từ trường (field weakening) khi chạy ở dải siêu cao tốc.
3. Khối quản lý PWM (PWM Manager): Tạo tín hiệu PWM điều chế điện áp hoặc dòng điện cấp cho động cơ.
4. Khối quản lý kênh (Channel Manager): Phân phối các tín hiệu điều khiển đóng cắt tới các chân điều khiển của cầu biến tần ba pha.
5. Tầng công suất và lái cổng: Sử dụng IC lái cổng chuyên dụng L6385 hoặc L6387 kết hợp với 6 khóa MOSFET công suất tạo thành bộ biến tần nguồn áp ba pha.
6. Mạch điều hòa nguồn (Mạch bơm sạc - Charge Pump): Ứng dụng trong module điều khiển bơm nhiên liệu ô tô khi điện áp nguồn ắc quy dao động từ 6V đến 24V. Khi điện áp bus DC giảm xuống dưới ngưỡng 8V (không đủ mức 6,5V tối thiểu để mở IC L6387), vi điều khiển sẽ kích hoạt mạch bơm sạc để nâng áp cung cấp cho tầng lái cổng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mở đầu

Tác giả trình bày tổng quan về tiềm năng thị trường và các ưu thế kỹ thuật của động cơ BLDC so với động cơ một chiều có chổi than và động cơ cảm ứng xoay chiều. Động cơ BLDC khắc phục hoàn toàn nhược điểm mài mòn cơ học, phóng tia lửa điện và suy giảm hiệu suất do cổ góp. Cấu trúc biến tần sáu bước được phân tích chi tiết với chu kỳ dẫn 120 độ điện cho mỗi pha và chuyển mạch tuần tự sau mỗi 60 độ điện. Chương 1 nhấn mạnh các trở ngại khi sử dụng cảm biến Hall (chi phí, độ tin cậy của dây dẫn, giới hạn nhiệt độ 75°C) và phân loại các kỹ thuật điều khiển không cảm biến:

• Kỹ thuật ước lượng vị trí dựa trên tham số động cơ, điện áp và dòng điện: đòi hỏi bộ xử lý tín hiệu số (DSP) công suất tính toán lớn, giá thành cao.
• Kỹ thuật xác định vị trí dựa trên việc đo sức phản điện động: chi phí phần cứng thấp, là trọng tâm nghiên cứu của đồ án.

Đồng thời, tác giả điểm qua các hạn chế của các IC tương tự thương mại (UC3646, ML4425, 32M595) về tính kém linh hoạt và hiệu năng thấp ở tốc độ chậm, từ đó đặt ra yêu cầu ứng dụng vi điều khiển 8-bit chuyên dụng cho hệ truyền động không cảm biến.

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

Chương này tập trung phân tích toán học và mô hình mạch để chỉ ra nhược điểm cốt tử của phương pháp trung tính ảo thông thường và chứng minh tính đúng đắn của phương pháp phát hiện trực tiếp:

Nhược điểm của phương pháp trung tính ảo: Dưới tác động của băm xung PWM, điện áp điểm trung tính thực tế dao động liên tục từ 0V đến điện áp bus DC (ví dụ 300V), sinh ra điện áp chế độ chung (common-mode voltage) rất lớn kèm nhiễu chuyển mạch tần số cao. Để đưa tín hiệu về dải đo của bộ so sánh (khoảng 5V), mạch bắt buộc phải dùng bộ chia điện áp và bộ lọc thông thấp (low-pass filter). Bộ chia điện áp làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tốc độ thấp (khi EMF vốn đã rất nhỏ), trong khi bộ lọc thông thấp gây ra một độ trễ pha cố định không phụ thuộc tốc độ, làm méo mó góc chuyển mạch ở tốc độ cao và thu hẹp dải tốc độ làm việc.

Nguyên lý phát hiện trực tiếp: Áp dụng chiến lược điều chế PWM chỉ trên các khóa phía trên (high-side switches), khóa phía dưới (low-side switch) của pha kia được giữ dẫn hoàn toàn trong suốt bước 60 độ điện. Tín hiệu EMF được đo trên pha hở trong khoảng thời gian khóa phía trên tắt (PWM off-time). Giả sử pha A và B dẫn dòng, pha C hở. Khi khóa pha A ngắt, dòng điện tự do khép mạch qua diode song song ngược của khóa phía dưới pha A. Bỏ qua sụt áp của van và diode:

• Điện áp trung tính động cơ tính từ pha A: $$v_n = 0 - ri - L\frac{di}{dt} - e_a$$
• Điện áp trung tính tính từ pha B: $$v_n = 0 - ri - L\frac{di}{dt} - e_b$$
• Cộng hai phương trình suy ra: $$v_n = -\frac{e_a + e_b}{2}$$
• Đối với hệ thống ba pha đối xứng ($e_a + e_b + e_c = 0$), thay thế $e_a + e_b = -e_c$ ta thu được: $$v_n = \frac{e_c}{2}$$
• Điện áp đầu cực của pha hở C đo so với đất: $$v_c = e_c + v_n = e_c + \frac{e_c}{2} = \frac{3}{2}e_c$$

Phương trình chứng minh điện áp đầu cực tỷ lệ thuận với sức phản điện động $e_c$, tham chiếu trực tiếp về đất và hoàn toàn không phụ thuộc vào điện áp trung tính. Phân tích mở rộng khi có sóng hài bậc ba ($e_a + e_b + e_c = e_3$) cho kết quả: $$v_c = \frac{3}{2}e_c - \frac{e_3}{2}$$ Dạng sóng thực nghiệm trên hai động cơ mẫu A và B khẳng định điểm cắt không của sóng hài bậc ba hoàn toàn trùng khớp với điểm cắt không của sóng cơ bản, do đó sóng hài bậc ba không gây sai lệch thời điểm xác định điểm cắt không.

Chương này cũng trình bày kết quả thực nghiệm với vi điều khiển ST72141:

• Động cơ 4 cực đạt tốc độ 30.000 vòng/phút ở tần số đóng cắt 18 kHz.
• Hệ thống phát hiện chính xác điểm cắt không khi biên độ đỉnh của EMF dưới 1V.
• Ứng dụng trên bơm nhiên liệu ô tô: Hoàn thành quá trình khởi động vòng hở chuyển sang đồng bộ kín trong thời gian 150 ms (đạt yêu cầu dưới 200 ms), chuyển đổi chuyển mạch thành công khi biên độ EMF chỉ đạt 0,5V, và vận hành ổn định trong dải điện áp 6V - 24V nhờ mạch bơm sạc.

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

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

Giới hạn chu kỳ làm việc 100%: Phương pháp phát hiện trong thời gian tắt yêu cầu phải có khoảng thời gian nghỉ tối thiểu để lấy mẫu, do đó không thể mở van đạt chu kỳ làm việc 100%. Tác giả giải quyết vấn đề này bằng cách phân tích điện áp pha hở trong khoảng thời gian khóa phía trên bật (PWM on-time). Thiết lập phương trình mạch điện:

• Pha A: $v_n = V_{dc} - v_{mos} - ri - L\frac{di}{dt} - e_a$
• Pha B: $v_n = v_{mos} + ri + L\frac{di}{dt} - e_b$
• Rút ra: $v_n = \frac{V_{dc} + e_c}{2}$
• Điện áp đầu cực pha hở: $$v_c = e_c + v_n = \frac{3}{2}e_c + \frac{V_{dc}}{2}$$ Để tìm điểm cắt không ($e_c = 0$), điện áp đầu cực $v_c$ được so sánh với mức tham chiếu bằng một nửa điện áp bus ($V_{dc}/2$) thay vì nối đất. Phương pháp này áp dụng cho dải tốc độ cao khi biên độ EMF đủ lớn để suy giảm mà không mất tín hiệu, tính năng này được tích hợp trên phiên bản vi điều khiển nâng cấp ST7MC.

Ảnh hưởng của sụt áp van bán dẫn ở dải tốc độ thấp và điện áp thấp: Khi xét đến sụt áp thuận của diode tự do ($v_d$) và sụt áp trên điện trở mở kênh của MOSFET ($v_{mos}$), điện áp đầu cực pha hở trong thời gian tắt trở thành: $$v_c = \frac{3}{2}e_c + \frac{v_{mos} - v_d}{2}$$ Với MOSFET điện áp thấp có $R_{dson}$ rất nhỏ, bỏ qua $v_{mos}$, phương trình rút gọn thành: $$v_c = \frac{3}{2}e_c - \frac{v_d}{2}$$ Thành phần bù âm $-v_d/2$ do diode gây ra làm dịch chuyển toàn bộ đường cong điện áp xuống dưới trục không. Ở tốc độ thấp, biên độ $e_c$ rất bé và độ dốc tại lân cận điểm cắt không rất phẳng, dẫn đến điểm cắt không bị lệch vị trí, phân bố không đều giữa các bước. Mô phỏng Mathcad và dạng sóng thực nghiệm xác nhận hiện tượng này. Tác giả đề xuất hai giải pháp:

1. Sử dụng PWM bổ sung (Complementary PWM / Chỉnh lưu đồng bộ): Bật MOSFET phía dưới trong thời gian xả dòng tự do thay vì để dòng chạy qua diode ký sinh. Kỹ thuật này triệt tiêu hoàn toàn thành phần $v_d$ và giảm tổn thất dẫn, tuy nhiên đòi hỏi phải tạo thời gian chết (dead-time) để chống ngắn mạch nhánh cầu. Vi điều khiển ST7MC tích hợp sẵn bộ phát thời gian chết phần cứng.
2. Mạch tiền điều hòa (Pre-conditioning Circuit): Bổ sung một điện áp bù để triệt tiêu sụt áp diode và tích hợp bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) nhằm khuếch đại biên độ, làm dốc đường tín hiệu EMF tại lân cận điểm cắt không trước khi đưa vào bộ so sánh.

Chương 4. Khởi động động cơ với sơ đồ không cảm biến và nghiên cứu trong tương lai

Theo danh mục mục lục của đồ án, Chương 4 bao gồm các nội dung về thiết lập thử nghiệm, quy trình điều chỉnh khởi động tối ưu và định hướng phát triển. Tuy nhiên, trong phần văn bản nộp thực tế của đồ án, nội dung của chương này dừng lại ở cuối Chương 3 (trang 49-50) và không có phần văn bản chi tiết triển khai cho Chương 4.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và so sánh toàn diện các đặc tính kỹ thuật giữa phương pháp phát hiện EMF thông thường qua điểm trung tính ảo và phương pháp phát hiện trực tiếp không dùng điểm trung tính:

Tiêu chí so sánh	Phương pháp điểm trung tính ảo thông thường	Phương pháp phát hiện trực tiếp EMF (Đề tài nghiên cứu)
Điểm điện thế tham chiếu	Điểm trung tính ảo (tạo bằng mạng điện trở)	Nối đất trực tiếp (Ground)
Điện áp chế độ chung	Rất cao (nhảy từ 0V đến điện áp bus $V_{dc}$)	Triệt tiêu (tham chiếu về đất)
Yêu cầu mạch suy giảm/chia áp	Bắt buộc (gây suy giảm mạnh tín hiệu ở tốc độ thấp)	Không sử dụng (giữ nguyên biên độ gốc)
Yêu cầu bộ lọc thông thấp	Bắt buộc (gây trễ pha phụ thuộc vào tốc độ)	Không sử dụng (tín hiệu tức thời, không trễ pha)
Độ nhạy ở tốc độ thấp/khởi động	Kém (tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR rất nhỏ)	Cao (bắt được điểm cắt không khi EMF đỉnh < 1V, thậm chí 0,5V)
Khả năng hoạt động ở tốc độ cao	Hạn chế (bị méo góc chuyển mạch do trễ pha của bộ lọc)	Rất cao (đạt 30.000 vòng/phút với động cơ 4 cực)
Khả năng đạt chu kỳ PWM 100%	Có thể đạt được	Cần chuyển sang chế độ phát hiện trong thời gian bật (PWM on-time)
Giải pháp phần cứng tích hợp	Thường dùng IC tương tự chuyên biệt (UC3646, ML4425)	Vi điều khiển tín hiệu hỗn hợp 8-bit ST72141 / ST7MC

Các kết quả thực nghiệm có số liệu đo đạc cụ thể trong văn bản bao gồm:

• Vận hành động cơ BLDC 4 cực ở tốc độ tối đa 30.000 vòng/phút với tần số băm xung PWM là 18 kHz (tần số cơ bản đạt 1 kHz, đảm bảo điều kiện tối thiểu 3 mẫu lấy mẫu trong mỗi bước 60 độ điện).
• Độ nhạy phát hiện điểm cắt không hoạt động ổn định ngay cả khi biên độ đỉnh của sức phản điện động xuống dưới 1V.
• Ứng dụng thành công trên hệ thống bơm nhiên liệu ô tô: Thời gian khởi động chuyển mạch từ vòng hở sang vòng kín đồng bộ hoàn tất trong vòng 150 ms (đáp ứng tốt ngưỡng yêu cầu kỹ thuật là dưới 200 ms); thời điểm chuyển sang chế độ đồng bộ thực hiện được khi biên độ đỉnh EMF chỉ đạt 0,5V.
• Mạch bơm sạc (charge pump) điều hòa nguồn cho phép hệ thống làm việc với dải điện áp đầu vào biến thiên rộng từ 6V đến 24V, tự động kích hoạt khi điện áp giảm dưới 8V để duy trì điện thế trên 6,5V cho IC lái cổng L6387.
• Động cơ BLDC ứng dụng cho bơm nhiên liệu nâng tuổi thọ làm việc lên 15.000 giờ so với mức 6.000 giờ của động cơ có chổi than.

Về mặt đóng góp học thuật và kỹ thuật, đồ án đã hệ thống hóa mô hình toán học giải tích chứng minh mối quan hệ giữa điện áp đầu cực pha hở và sức phản điện động trong cả hai khoảng thời gian tắt và bật của xung PWM; phân tích định lượng nguyên nhân gây sai lệch điểm chuyển mạch ở dải điện áp thấp do sụt áp của diode tự do; đồng thời phân tích cơ chế tích hợp ngoại vi chuyên dụng trên nền tảng vi điều khiển ST72141 nhằm giảm thiểu chi phí phần cứng và diện tích mạch in trong các ứng dụng công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nhận xét chính thức của giảng viên hướng dẫn (GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn) và nội dung thực tế của văn bản, đồ án tồn tại các hạn chế sau:

• Tính chất nghiên cứu: Bản chất đồ án là công trình tổng hợp, tham khảo và tìm hiểu từ các tài liệu khoa học và công nghệ đã công bố quốc tế, chưa phải là công trình thiết kế chế tạo mới hoàn toàn từ đầu.
• Văn phong khoa học: Cách trình bày ở nhiều đoạn chưa thực sự hoàn thiện, sử dụng thuật ngữ kỹ thuật còn thiếu chuẩn xác do ảnh hưởng của việc chuyển ngữ trực tiếp từ tài liệu tiếng Anh sang tiếng Việt.
• Tính trọn vẹn của tài liệu: Toàn bộ nội dung chi tiết của Chương 4 ("Khởi động động cơ với sơ đồ không cảm biến và nghiên cứu trong tương lai") bị khuyết trong văn bản nộp thực tế, dù đề mục này có xuất hiện trong trang mục lục và lời mở đầu. Các sơ đồ nguyên lý chi tiết của phụ lục 1 được trích dẫn trong văn bản nhưng không kèm bản vẽ chi tiết.
• Hạn chế kỹ thuật nội tại: Phương pháp phát hiện trực tiếp trong thời gian tắt bị hạn chế chu kỳ làm việc cực đại (không đạt 100% duty cycle); phương pháp phát hiện trong thời gian bật đòi hỏi phải chia áp khi ở tốc độ cao; thuật toán PWM bổ sung đòi hỏi vi điều khiển phải hỗ trợ bộ phát thời gian chết phần cứng (như ST7MC) để tránh nguy cơ ngắn mạch biến tần.

Các hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo dựa trên phạm vi đề tài:

• Xây dựng thuật toán khởi động tối ưu tự động dò tìm vị trí ban đầu của rotor khi đứng yên (khi EMF hoàn toàn bằng 0) để loại bỏ hiện tượng giật ngược khi khởi động vòng hở.
• Triển khai thực nghiệm hoàn chỉnh giải pháp PWM bổ sung và kiểm chứng mạch tiền điều hòa trên vi điều khiển ST7MC.
• Phát triển các thuật toán bù trễ tự động bằng phần mềm cho góc chuyển mạch ở dải tốc độ siêu cao khi áp dụng chế độ làm suy giảm từ trường.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tự động công nghiệp, Cơ điện tử và Kỹ thuật điều khiển: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết chuyển mạch 6 bước, nguyên lý hình thành sức phản điện động hình thang và phương pháp điều khiển không cảm biến cho động cơ BLDC.
• Kỹ sư thiết kế phần cứng nhúng và truyền động điện: Cung cấp giải pháp phân tích mạch thực tế để loại bỏ điểm trung tính ảo, giảm thiểu linh kiện lọc tương tự, cùng sơ đồ thiết kế tầng lái cổng công suất sử dụng họ vi điều khiển ST72141/ST7MC và IC L6385/L6387.
• Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Các biến đổi toán học giải tích tại Chương 2 (chứng minh công thức điện áp đầu cực độc lập với điểm trung tính và chứng minh sóng hài bậc ba không ảnh hưởng đến điểm cắt không) và các phân tích mạch cải tiến khắc phục sụt áp diode tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp phát hiện trực tiếp EMF lại loại bỏ được hoàn toàn ảnh hưởng của điện áp chế độ chung (common-mode voltage)?
Điện áp chế độ chung sinh ra do điểm trung tính của động cơ dao động liên tục từ 0V đến điện áp bus DC dưới tác động của băm xung PWM. Trong phương pháp đề xuất, tín hiệu sức phản điện động được lấy mẫu trong khoảng thời gian khóa phía trên tắt (PWM off-time) và điện áp đầu cực pha hở được so sánh trực tiếp với điện thế đất (Ground). Do không sử dụng điểm trung tính động cơ làm mốc tham chiếu nên điện áp chế độ chung bị loại bỏ hoàn toàn, không cần mạch hạ áp hay bộ lọc thông thấp.

2. Sóng hài bậc ba trong điện áp pha có làm sai lệch thời điểm xác định điểm cắt không của sức phản điện động không?
Không. Mặc dù khi xuất hiện sóng hài bậc ba, điện áp pha hở tuân theo biểu thức $v_c = \frac{3}{2}e_c - \frac{e_3}{2}$, nhưng các kết quả đo đạc thực nghiệm trên các động cơ mẫu khẳng định rằng điểm đi qua giá trị 0 của thành phần sóng hài bậc ba hoàn toàn trùng lặp với điểm đi qua giá trị 0 của sóng cơ bản. Do đó, việc tồn tại sóng hài bậc ba không làm dịch chuyển điểm cắt không của sóng cơ bản.

3. Vì sao sụt áp trên diode lại gây sai lệch điểm chuyển mạch ở dải tốc độ thấp và giải pháp khắc phục là gì?
Ở dải tốc độ thấp, biên độ của sức phản điện động $e_c$ rất nhỏ. Sụt áp thuận $v_d$ trên diode dẫn dòng tự do tạo ra một thành phần điện áp bù âm xấp xỉ $-v_d/2$ trong điện áp đầu cực ($v_c \approx \frac{3}{2}e_c - \frac{v_d}{2}$), làm dịch chuyển toàn bộ đường cong điện áp xuống dưới mức 0V. Do độ dốc của tín hiệu ở tốc độ thấp rất bằng phẳng, sự dịch chuyển này khiến điểm cắt không bị lệch vị trí đáng kể. Đồ án đề xuất hai giải pháp: sử dụng PWM bổ sung (dẫn dòng qua MOSFET thay vì diode) hoặc sử dụng mạch tiền điều hòa để bù điện áp và khuếch đại độ dốc tín hiệu bằng Op-Amp.

4. Hệ thống giải quyết bài toán dải điện áp đầu vào dao động từ 6V đến 24V trong ứng dụng bơm nhiên liệu như thế nào?
IC lái cổng công suất L6387 yêu cầu điện áp hoạt động tối thiểu là 6,5V, do đó khi nguồn ắc quy giảm xuống 6V, tầng kích cổng không thể hoạt động bình thường. Vi điều khiển ST72141 liên tục giám sát điện áp bus DC; khi điện áp nguồn giảm xuống dưới ngưỡng 8V, vi điều khiển sẽ kích hoạt một mạch bơm sạc (charge pump) bổ trợ để nâng áp cung cấp riêng cho IC lái cổng, đảm bảo hệ thống vận hành liên tục trên toàn dải từ 6V đến 24V.

5. Mối liên hệ giữa tần số băm xung PWM ($F_s$) và tốc độ quay tối đa của động cơ 4 cực trong phương pháp này là gì?
Do sức phản điện động được lấy mẫu đồng bộ theo chu kỳ PWM, để đảm bảo độ phân giải phát hiện điểm cắt không chính xác, mỗi bước dẫn (60 độ điện) phải có tối thiểu 3 chu kỳ lấy mẫu. Vì một chu kỳ điện gồm 6 bước, tần số cơ bản cực đại của động cơ bằng $F_s / (3 \times 6) = F_s / 18$. Với tần số băm xung $F_s = 18\text{ kHz}$, tần số điện cơ bản cực đại là 1 kHz. Đối với động cơ 4 cực (2 cặp cực), tốc độ quay cơ học tối đa đạt được là $(1.000\text{ Hz} / 2) \times 60 = 30.000\text{ vòng/phút}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đào Trọng Đại đã hệ thống hóa và làm sáng tỏ cơ sở lý thuyết cùng phương pháp giải tích của kỹ thuật điều khiển không cảm biến cho động cơ BLDC thông qua việc phát hiện trực tiếp sức phản điện động trong thời gian ngắt xung PWM. Bằng việc loại bỏ sự phụ thuộc vào điểm trung tính ảo, phương pháp này triệt tiêu hoàn toàn ảnh hưởng của điện áp chế độ chung, loại bỏ bộ lọc thông thấp gây trễ pha, và mở rộng dải tốc độ làm việc từ giai đoạn khởi động nhạy (0,5V EMF) cho đến tốc độ cao 30.000 vòng/phút. Mặc dù còn hạn chế về tính hoàn thiện văn bản và khuyết thiếu nội dung chi tiết của Chương 4, công trình đã đề xuất thành công các giải pháp phần cứng cải tiến có tính thực tiễn cao trên nền tảng vi điều khiển ST72141/ST7MC cho các ứng dụng công nghiệp và ô tô.

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 Luan van 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 Hàng triệu đô la Mỹ đơn vị 50 1500 Hàng triệu đơn 30 1000 20 500 tr 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.