Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu phương tiện giao thông tại Việt Nam, xe gắn máy sử dụng động cơ đốt trong là một trong những nguồn phát thải chính gây ô nhiễm môi trường không khí tại các đô thị. Theo các số liệu thống kê được tác giả trích dẫn trong văn bản, toàn quốc có gần 45 triệu xe máy và 2,7 triệu ô tô đã đăng ký lưu hành (chưa tính các phương tiện chưa đăng ký). Tại hai đô thị lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, xe máy chiếm 95% về số lượng phương tiện và tiêu thụ 56% tổng lượng xăng, nhưng lại thải ra lượng chất độc hại chiếm tỷ trọng lớn trong tổng phát thải của xe cơ giới:

  • 94% lượng Hydrocarbon (HC);
  • 87% lượng Cacbon monoxit (CO);
  • 57% lượng Oxit Nitơ ($\text{NO}_x$).

Trước thực trạng đó, việc chuyển đổi sang phương tiện giao thông chạy điện ("xe xanh"), điển hình là xe đạp điện, mang lại giải pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí. Xe đạp điện sở hữu các đặc tính như công suất phù hợp, chi phí hợp lý, không yêu cầu bằng lái và thân thiện với người sử dụng. Tuy nhiên, xe đạp điện gặp phải hạn chế lớn về nguồn năng lượng tích trữ trong ắc quy/bộ pin còn hữu hạn và thời gian sạc đầy tương đối dài. Do đó, yêu cầu nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thu hồi năng lượng khi vận hành trở nên cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều (DC) truyền thống và động cơ một chiều không chổi than (BLDC).
  2. Phân tích lý thuyết các trạng thái hãm của động cơ điện, đặc biệt là trạng thái hãm tái sinh nhằm chuyển đổi động năng/thế năng của xe thành điện năng nạp lại cho nguồn cấp.
  3. Khảo sát các mẫu xe điện hiện có trên thị trường và tính toán thiết kế phần cứng mạch điều khiển truyền động, mạch hãm tốc độ và thu hồi năng lượng nạp lại cho ắc quy khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc.
  4. Tính toán kết cấu cơ khí (chất liệu hộp điện, vị trí lắp đặt, liên kết bu-lông, đũa xe) và lắp ráp hoàn thiện hệ thống thực nghiệm trên xe đạp điện, hướng tới ứng dụng tại các khu vực có địa hình đèo dốc hoặc khu du lịch.
  • Đối tượng nghiên cứu: Các trạng thái hãm của động cơ điện một chiều, động cơ DC không chổi than (BLDC), hệ thống điều khiển truyền động công suất và bộ tích trữ năng lượng ắc quy trên xe đạp điện.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế mạch điện hỗ trợ hãm tốc và tái tạo năng lượng cho xe đạp điện sử dụng nguồn ắc quy 36V, thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2018).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên các nền tảng lý thuyết truyền động điện, máy điện và điện tử công suất:

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Phương trình cân bằng điện áp và sức điện động máy điện một chiều:
    • Ở chế độ xác lập: $U_ư = E_ư + I_ư R_ư$, trong đó sức điện động phần ứng $E_ư = k_e \Phi n$.
    • Ở chế độ quá độ: $U_ư + (-e_ư) + \left(-L_a \frac{di_ư}{dt}\right) = i_ư R_ư$.
    • Phương trình đặc tính cơ điện: $\omega = \frac{U_ư - I_ư R_ư}{k\Phi} = \omega_0 - \frac{R_ư}{k\Phi} I_ư$.
  • Mô hình toán học động cơ BLDC (nối hình sao Y):
    • Phương trình điện áp Kirchhoff tức thời dây: $v_1 = e_{fA} - e_{fB} + 2R_1 i_a + 2L_s \frac{di_a}{dt}$.
    • Sức điện động cảm ứng pha - dây: $E_{fL-L} = 2 e_f = 8 p N_1 k_{w1} \Phi_i L_i B_{mg} n = k_{Edc} n$.
    • Mômen điện từ sinh ra: $T_d = k_{Tdc} I_a$.
  • Nguyên lý cảm biến hiệu ứng Hall xác định vị trí cực từ rotor: Điện áp Hall sinh ra tại ngõ ra xác định theo công thức $V_H = k_H \frac{I_C B \sin\theta}{d}$ (với $k_H$ là hằng số Hall, $d$ là độ dày chất bán dẫn, $I_C$ là dòng điện cấp, $B$ là mật độ từ thông, $\theta$ là góc lệch giữa từ trường và bề mặt cảm biến).
  • Lý thuyết các trạng thái hãm máy điện: Phân tích bản chất điện từ và dòng năng lượng của 3 chế độ hãm: hãm tái sinh ($\omega > \omega_0$, $E_ư > U_ư$), hãm ngược (đưa điện trở phụ $R_{ưf}$ vào mạch phần ứng hoặc đảo chiều điện áp phần ứng), và hãm động năng (kích từ độc lập hoặc tự kích từ đóng vào điện trở hãm $R_h$).
  • Cơ sở hóa điện nguồn ắc quy chì - axit: Cấu tạo các bản cực hoạt hóa trong dung dịch điện giải axit sunfuric ($H_2SO_4$), bản cực dương sau khi nạp là chì dioxit ($PbO_2$), bản cực âm là chì xốp ($Pb$).

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích lý thuyết và mô hình hóa: Tổng hợp lý thuyết truyền động điện, thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng và mô hình đặc tính cơ - điện của động cơ một chiều và động cơ BLDC.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Tính toán lựa chọn linh kiện bán dẫn công suất, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ dùng IC chuyên dụng, mạch kích đóng cắt cầu MOSFET ba pha, mạch bảo vệ quá dòng và mạch chỉnh lưu tái nạp năng lượng.
  • Phương pháp tính toán cơ khí và tích hợp hệ thống: Tính toán cơ khí cho hộp chứa mạch điện, kết cấu gá lắp, đũa nan hoa bánh xe và lắp ráp hoàn thiện trên xe đạp điện thực nghiệm.

3. Nguồn dữ liệu

  • Tài liệu chuyên ngành về máy điện một chiều, truyền động điện tự động và cấu tạo động cơ không chổi than BLDC.
  • Thông số kỹ thuật từ datasheet của các vi mạch và linh kiện bán dẫn: IC MC33035 (Motorola/On Semiconductor), IC điều khiển MOSFET IR2103, transistor công suất IRF3205, IC điều chế xung TL494, IC khuếch đại thuật toán LM358, IC ổn áp LM7815, opto cách ly quang PC917, IC điều khiển sạc UC3842.
  • Dữ liệu thống kê về hiện trạng phương tiện và khí thải giao thông đường bộ tại Việt Nam.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án đã thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển truyền động kết hợp hãm tái sinh cho xe đạp điện với các khối chức năng phần cứng cụ thể:

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị chính Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm IC MC33035 (24 chân) Nhận và giải mã tín hiệu vị trí rotor từ 3 cảm biến Hall (chân 4, 5, 6), tạo xung điều biến độ rộng PWM điều khiển 3 khóa bán dẫn tầng dưới; xử lý tín hiệu đảo chiều (chân 3), phanh (chân 23) và dòng bảo vệ (chân 9, 15).
Khối lái công suất (Driver) 3 IC IR2103 Khuếch đại biên độ và đệm dòng tín hiệu xung từ các chân ra của MC33035 (chân 1, 2, 19, 20, 21, 24) để kích đóng ngắt cho tầng công suất cầu H 3 pha.
Khối nghịch lưu công suất 6 MOSFET IRF3205 Đóng ngắt nguồn DC cấp vào 3 pha cuộn dây Stator của động cơ BLDC theo thứ tự 6 bước đồng bộ với góc quay của Rotor.
Khối bảo vệ quá dòng Điện trở đo dòng $R_s$, Op-Amp LM358, Opto PC917 Đo sụt áp trên điện trở $R_s$ tại cực Source của MOSFET, khuếch đại tín hiệu đưa về điểm $I_{TRIP}$ so sánh với điện áp chuẩn; khi quá dòng, tác động ngắt xung ra tại MC33035 và truyền tín hiệu cách ly về vi xử lý qua PC917.
Khối nguồn nuôi điều khiển IC ổn áp LM7815, Diode Zener, Transistor Ổn định mức điện áp 15V từ nguồn ắc quy cấp cho IC MC33035, mạch kích driver và các tầng mạch chức năng phụ trợ.
Khối điều chế & tay ga IC TL494, Cảm biến Hall tay ga Cảm biến Hall chuyển góc vặn tay ga thành tín hiệu điện áp; IC TL494 tạo sóng răng cưa, lấy mẫu điều biến xung PWM và cung cấp điện áp mẫu chuẩn 5V.
Khối hãm và thu hồi năng lượng Bộ chuyển mạch, mạch chỉnh lưu, IC sạc UC3842 Khi xe phanh hoặc xuống dốc, mạch chuyển trạng thái ngắt cuộn dây Stator khỏi bộ nghịch lưu điều tốc và đấu nối vào bộ chỉnh lưu; năng lượng điện xoay chiều 3 pha do động cơ phát ra được chỉnh lưu thành dòng DC để nạp lại cho bộ ắc quy 36V.
Khối tích trữ năng lượng Bộ 3 bình ắc quy chì ($12\text{V} \times 3 = 36\text{V}$) Tích trữ điện năng vận hành xe và tiếp nhận dòng sạc tái tạo trong quá trình hãm tốc độ.

Hệ thống điều khiển kết hợp đồng thời giữa hệ thống phanh cơ khí (tay phanh, dây phanh, má phanh) và phanh điện tái sinh nhằm tạo ra hệ thống phanh lai, vừa đảm bảo mômen hãm an toàn khi giảm tốc nhanh, vừa tối đa hóa lượng điện năng thu hồi vào ắc quy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu động cơ điện 1 chiều

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về máy điện một chiều:

  • Cấu tạo: Mô tả chi tiết 6 bộ phận chính gồm cổ góp điện, rôto (phần ứng), cực từ, cuộn dây kích từ, stato và cuộn dây phần ứng.
  • Phân loại theo sơ đồ kích từ: Trình bày 4 cấu hình kích từ chính gồm kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.
  • Nguyên lý hoạt động: Phân tích quá trình tạo mômen quay qua 3 pha chuyển động của rôto dưới tác dụng của từ trường và cổ góp đảo chiều dòng điện.
  • Đặc tính cơ và khởi động: Thiết lập phương trình đặc tính cơ $\omega = f(M)$. Động cơ kích từ độc lập và song song có đặc tính cơ dạng đường thẳng với độ cứng lớn; động cơ kích từ nối tiếp có đặc tính cơ dạng hyperbol trong dải dòng tải $0 < I_ư \le I_{đm}$. Phân tích hiện tượng dòng khởi động trực tiếp đạt giá trị rất lớn $I_{kđ} = (20 \div 25) I_{đm}$ gây xung lực cơ học và tia lửa điện ở cổ góp, từ đó đưa ra giải pháp khởi động qua điện trở phụ $R_{kđ}$.
  • Phương pháp điều chỉnh tốc độ: So sánh 3 phương pháp:
    1. Thay đổi điện áp phần ứng ($U_ư$): Cho phép điều chỉnh trơn các đường đặc tính cơ song song về phía giảm tốc độ.
    2. Thay đổi điện trở mạch phần ứng: Dễ thực hiện nhưng phạm vi hẹp, tổn hao nhiệt lớn (giảm 50% tốc độ định mức gây tổn hao 50% công suất vào).
    3. Thay đổi từ thông kích từ ($\Phi$): Điều chỉnh kinh tế và trơn ở vùng tốc độ trên định mức.
  • Tổn hao và hiệu suất: Phân loại tổn hao chính (tổn hao cơ, tổn hao sắt từ trong lõi thép stato/roto, tổn hao tiếp xúc chổi than) và tổn hao phụ (dòng xoáy, từ trường không đều). Công thức tính hiệu suất: $\eta = \frac{P_2}{P_1} = \frac{P_2}{P_2 + \Delta P}$.

Chương 2: Các chế độ hãm của động cơ điện 1 chiều - Giới thiệu động cơ Brushless

Chương 2 trình bày chi tiết về các trạng thái hãm của động cơ điện, cấu tạo - nguyên lý động cơ BLDC và các giải pháp mạch điện tử điều khiển:

  • Các chế độ hãm của động cơ điện 1 chiều:
    • Hãm tái sinh: Xuất hiện khi tốc độ quay lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ($\omega > \omega_0$), dẫn đến $E_ư > U_ư$. Động cơ chuyển sang chế độ máy phát làm việc song song với lưới/nguồn, đổi chiều dòng điện và sinh mômen hãm $M < 0$ trả năng lượng về nguồn cấp. Trạng thái này xảy ra khi cơ cấu thế năng kéo rôto quay nhanh, khi giảm đột ngột điện áp phần ứng ($U_{ư2} < U_{ư1}$) hoặc khi đảo chiều điện áp phần ứng.
    • Hãm ngược: Mômen hãm sinh ra ngược chiều với chiều quay ($\vec{M} \uparrow\downarrow \vec{\omega}$). Thực hiện bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng ($R_{ưf}$) hoặc đảo chiều điện áp phần ứng $+U_ư \rightarrow -U_ư$ (phải nối tiếp thêm điện trở phụ để hạn chế dòng đảo chiều lớn).
    • Hãm động năng: Thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng kín mạch qua điện trở hãm $R_h$ ($U_ư = 0$). Toàn bộ động năng tích lũy trong hệ truyền động biến thành nhiệt năng tiêu tán trên $R_h$ và $R_ư$. Phân biệt hãm động năng kích từ độc lập và hãm động năng tự kích từ.
  • Động cơ điện BLDC (Brushless DC Motor):
    • Cấu tạo và phân loại: Stator mang các cuộn dây 3 pha đặt lệch nhau $120^\circ$ không gian; Rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu (nam châm hiếm như AlNiCo, NdFeB, SmCo). Phân loại theo kết cấu gá nam châm (dán bề mặt ngoài hoặc đặt bên trong thân rotor) và vị trí rotor (rotor trong hoặc rotor ngoài).
    • Mô hình toán và cảm biến Hall: Thiết lập các phương trình điện áp tức thời, sức điện động cảm ứng $E_{fL-L} = k_{Edc} n$ và mômen điện từ $T_d = k_{Tdc} I_a$. Vị trí cực từ rotor được xác định chính xác nhờ tổ hợp 3 cảm biến Hall đặt lệch nhau $120^\circ$ (hoặc $60^\circ$) điện bên trong Stator.
    • Phương pháp điều khiển: So sánh phương pháp điều khiển 6 bước theo cảm biến Hall, điều khiển PWM điều chế điện áp ngõ vào (dạng sóng hình thang và dạng sóng sin - Brushless AC), và phương pháp điều khiển không cảm biến (Sensorless) dựa trên phát hiện thời điểm qua điểm 0 (zero-crossing) của sức điện động cảm ứng tại điểm trung tính thật hoặc trung tính ảo.
  • Thiết kế mạch điều khiển và nguồn ắc quy:
    • Phân tích chi tiết cấu tạo, sơ đồ khối và các chân chức năng của IC MC33035 kết hợp tầng đệm IR2103 và 6 MOSFET IRF3205; mạch bảo vệ quá dòng dùng điện trở $R_s$, khuếch đại thuật toán LM358 và opto PC917.
    • Phân tích sơ đồ khối mạch điều khiển xe đạp điện dùng IC TL494, cảm biến Hall tay ga và khóa ngắt điện khi phanh.
    • Cấu tạo tế bào ắc quy chì, cơ chế phản ứng hóa học bản cực $PbO_2$ và nguyên lý mạch sạc sử dụng IC UC3842.

Chương 3: Giới thiệu một số mẫu xe điện trên thị trường - Thiết kế mạch hãm tốc và thu hồi năng lượng

Chương 3 đi sâu vào ứng dụng thực tiễn và chế tạo hệ thống hãm tái tạo năng lượng:

  • Khảo sát thị trường xe điện: Giới thiệu tổng quan về các mẫu xe đạp điện và xe máy điện đang lưu hành, phân tích nhu cầu sử dụng thực tế của học sinh và người lao động.
  • Thiết kế mạch hãm tốc và thu hồi năng lượng: Trình bày nguyên lý chuyển đổi chế độ làm việc của động cơ BLDC trên xe điện. Khi người điều khiển bóp phanh hoặc khi xe chạy xuống dốc, hệ thống sẽ tự động ngắt các cuộn dây pha của động cơ khỏi bo mạch điều tốc nghịch lưu và chuyển nối sang mạch chỉnh lưu. Động cơ lúc này hoạt động như một máy phát điện xoay chiều ba pha, dòng điện phát ra được chỉnh lưu và ổn định điện áp để sạc ngược vào bộ ắc quy 36V, đồng thời tạo ra mômen cản điện từ hỗ trợ giảm tốc độ xe.
  • Lắp ráp và hoàn thiện: Tính toán thiết kế hộp bảo vệ bo mạch điện tử, lựa chọn kết cấu gá lắp bulông, đai ốc, căn chỉnh đũa vành xe, tích hợp hoàn chỉnh hệ thống cơ - điện lên xe đạp điện thử nghiệm.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính

  • Tổng hợp và hệ thống hóa chi tiết lý thuyết máy điện một chiều, đặc tính cơ - điện, 3 trạng thái hãm máy điện ($E_ư > U_ư$ trong hãm tái sinh; hãm ngược với điện trở $R_{ưf}$ hoặc đảo cực tính $U_ư$; hãm động năng tiêu tán trên $R_h$) và mô hình toán học động cơ BLDC ba pha.
  • Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ mạch điều khiển động cơ BLDC dùng IC chuyên dụng MC33035 tích hợp khối giải mã vị trí Rotor (Rotor position decoder), điều chế PWM 3 nhánh cầu dưới, lái cầu MOSFET IRF3205 qua 3 IC IR2103 và ổn áp nguồn 15V qua IC LM7815.
  • Thiết kế mạch bảo vệ quá dòng cho tầng công suất sử dụng điện trở đo dòng $R_s$, khuếch đại và so sánh điện áp $I_{TRIP}$ bằng Op-Amp LM358, truyền tín hiệu bảo vệ qua opto cách ly quang PC917 để ngắt tức thời ngõ ra điều khiển của MC33035.
  • Xây dựng giải pháp phanh lai (hybrid braking) kết hợp phanh cơ khí với mạch chỉnh lưu hãm tái sinh, cho phép ngắt động cơ khỏi bộ điều tốc và chỉnh lưu dòng năng lượng phát ra để nạp lại cho bộ ắc quy 36V khi xe xuống dốc hoặc giảm tốc.

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng động cơ không chổi than BLDC kích từ nam châm vĩnh cửu thay thế cho động cơ DC có chổi than nhằm loại bỏ tổn hao tiếp xúc cổ góp, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí bảo dưỡng.
  • Tận dụng năng lượng quán tính và thế năng của phương tiện khi xuống dốc để tái sạc cho bộ ắc quy, giúp giảm tải nhiệt cho má phanh cơ khí và kéo dài cự ly hành trình của xe đạp điện.
  • Đề xuất áp dụng thực tiễn giải pháp này cho các phương tiện xe điện tại các khu du lịch, khu vực có địa hình nhiều đèo dốc.

3. Đóng góp của đề tài

  • Làm rõ nguyên lý điều khiển và thiết lập cấu hình phần cứng điều khiển hãm tái sinh khả thi với chi phí thấp, sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến trên thị trường Việt Nam.
  • Kết hợp đồng bộ giữa tính toán lý thuyết truyền động điện, thiết kế mạch điện tử công suất và gia công lắp ráp kết cấu cơ khí thực tế trên xe đạp điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Hệ thống thực nghiệm chủ yếu áp dụng trên bộ tích trữ năng lượng là ắc quy chì - axit 36V ($12\text{V} \times 3$), vốn có mật độ năng lượng và tốc độ tiếp nhận dòng sạc hạn chế so với các công nghệ pin hiện đại.
    • Phương pháp điều khiển không cảm biến (Sensorless) được phân tích trong lý thuyết gặp hiện tượng nhiễu xung PWM chồng lấn lên điện áp trung tính và tín hiệu phản điện động rất nhỏ ở dải tốc độ thấp/khởi động, do đó chưa được áp dụng trực tiếp vào mạch phần cứng thực nghiệm mà phải sử dụng 3 cảm biến Hall rời.
    • Mạch hãm tái tạo năng lượng sử dụng nguyên lý chuyển mạch chỉnh lưu cơ bản, hiệu suất thu hồi phụ thuộc nhiều vào độ dốc và dải vận tốc vận hành thực tế của xe.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu tích hợp các bộ tích trữ năng lượng có hiệu suất sạc xả cao hơn như pin Lithium-ion hoặc siêu tụ điện (Supercapacitor).
    • Nghiên cứu hoàn thiện thuật toán điều khiển vector (FOC) hoặc điều chế sin (Brushless AC) để giảm thiểu triệt để gợn sóng mômen và tiếng ồn âm học của động cơ.
    • Tối ưu hóa mạch biến đổi điện áp DC-DC hai chiều tự động điều tiết dòng nạp tái sinh thích ứng theo trạng thái dung lượng (SOC) của nguồn tích trữ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện tự động công nghiệp, Cơ điện tử, Kỹ thuật Ô tô / Xe điện: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học động cơ BLDC, nguyên lý hoạt động của các cảm biến Hall và lý thuyết tính toán các trạng thái hãm truyền động điện.
  • Kỹ sư và người nghiên cứu thiết kế phần cứng điện tử công suất: Tham khảo sơ đồ nguyên lý chi tiết về việc ứng dụng IC MC33035, IC điều khiển khóa bán dẫn IR2103, mạch đo dòng và bảo vệ ngắn mạch/quá dòng qua LM358, mạch điều chế xung TL494 và mạch sạc dùng UC3842.
  • Các đề tài nghiên cứu về phương tiện giao thông xanh: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về hệ thống phanh tái tạo năng lượng (Regenerative Braking System) chi phí thấp ứng dụng trên xe hai bánh chạy điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ BLDC bắt buộc phải sử dụng cảm biến vị trí Rotor (như cảm biến Hall) khi điều khiển?

Động cơ BLDC sử dụng các thanh nam châm vĩnh cửu gắn trên Rotor và cuộn dây 3 pha đặt trên Stator. Để động cơ có thể tự khởi động và quay liên tục theo đúng chiều mong muốn, bộ điều khiển cần biết chính xác vị trí cực từ của Rotor tại mọi thời điểm nhằm đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC vào đúng 2 trong 3 cuộn dây pha Stator tương ứng lệch nhau $120^\circ$. Nếu không có cảm biến Hall (hoặc mạch ước lượng vị trí Sensorless), hệ thống không thể xác định pha cần kích và động cơ không thể tự khởi động.

2. Trạng thái hãm tái sinh xảy ra trong những điều kiện cụ thể nào đối với động cơ điện một chiều?

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ vượt quá tốc độ không tải lý tưởng ($\omega > \omega_0$), làm cho sức điện động phần ứng lớn hơn điện áp nguồn cấp ($E_ư > U_ư$). Lúc này dòng điện phần ứng và mômen điện từ đổi chiều ($M < 0$), động cơ đóng vai trò như một máy phát điện làm việc song song với lưới để chuyển đổi cơ năng thành điện năng trả về nguồn. Trong thực tế, trạng thái này xuất hiện khi thế năng của tải kéo trục động cơ quay nhanh (như khi xe xuống dốc), khi giảm đột ngột điện áp cấp phần ứng ($U_{ư2} < U_{ư1}$), hoặc khi đảo chiều điện áp phần ứng.

3. Mạch bảo vệ quá dòng cho tầng công suất MOSFET trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào?

Mạch sử dụng một điện trở đo dòng giá trị nhỏ ($R_s$) mắc tại cực Source của MOSFET. Khi dòng điện qua MOSFET tăng cao, điện áp rơi trên $R_s$ tăng lên và được đưa vào mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp LM358) tạo ra điện áp $I_{TRIP}$. Mức áp này được so sánh với một ngưỡng điện áp tham chiếu định trước. Khi xảy ra sự cố quá dòng ($I_{TRIP}$ vượt ngưỡng chuẩn), ngõ ra của Op-Amp đổi trạng thái, tác động trực tiếp làm IC điều khiển MC33035 ngắt toàn bộ tín hiệu kích tại các cổng ra, đồng thời gửi tín hiệu cảnh báo cách ly qua opto PC917 về vi xử lý.

4. Hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh/xuống dốc trong đồ án được cấu hình và vận hành như thế nào?

Khi xe đạp điện vận hành ở chế độ xuống dốc hoặc giảm tốc độ, hệ thống thực hiện cắt động cơ BLDC ra khỏi bộ điều khiển nghịch lưu tốc độ và chuyển nối Stator động cơ vào ngõ vào của một bộ chỉnh lưu. Dưới tác dụng của quán tính hoặc thế năng dốc, động cơ BLDC hoạt động như một máy phát điện xoay chiều 3 pha. Điện áp phát ra được chỉnh lưu và ổn định để sạc ngược lại vào bộ ắc quy 36V, đồng thời sinh ra mômen hãm điện từ hỗ trợ hệ thống phanh cơ khí giảm tốc độ xe.

5. Sự khác biệt về dạng sóng điện áp điều khiển PWM hình thang và PWM hình sin trên động cơ BLDC là gì?

  • Kỹ thuật điện áp hình thang: Là kỹ thuật điều khiển cơ bản, chỉ yêu cầu các khóa công suất đóng ngắt đồng bộ với tín hiệu 6 bước từ cảm biến Hall theo một tần số PWM nhất định, dễ thực hiện với các IC chuyên dụng như MC33035.
  • Kỹ thuật điện áp hình sin (Brushless AC): Điều chế dòng điện và điện áp cấp vào động cơ có dạng sóng sin mịn màng, giúp giảm đáng kể gợn sóng mômen (torque ripple) và triệt tiêu tiếng ồn âm học trong quá trình vận hành so với điều khiển sóng hình thang.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Tường Thanh đã nghiên cứu một cách có hệ thống các trạng thái hãm của máy điện một chiều và động cơ không chổi than BLDC, từ cơ sở lý thuyết truyền động điện đến mô hình toán học chi tiết. Tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công mạch điều khiển tốc độ sử dụng IC MC33035 kết hợp tầng công suất MOSFET IRF3205 và mạch bảo vệ quá dòng chuyên dụng qua LM358 và PC917. Giải pháp tích hợp mạch hãm tái sinh chuyển đổi động cơ thành máy phát để sạc ngược cho bộ ắc quy 36V khi xe phanh hoặc xuống dốc mang lại giải pháp kỹ thuật thiết thực, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cho xe đạp điện tại Việt Nam.