Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp này được thực hiện trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô và phương tiện giao thông đang trải qua quá trình chuyển đổi từ động cơ đốt trong sang động cơ điện (EV). Tại Việt Nam, các thương hiệu như DatBike và Vinfast đang dẫn đầu xu hướng này, trong khi trên thị trường quốc tế, nhiều hãng xe lớn như Tesla (Model 3), Nissan (Leaf), Chevrolet (Bolt EV), BMW i3 và Ford Mustang Mach-E đều ứng dụng động cơ BLDC (Brushless DC Motor). Nhu cầu nắm vững kỹ thuật điều khiển động cơ không chổi than do đó mang tính cấp thiết rõ ràng đối với sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô.

Nhiệm vụ đề tài được xác định gồm bốn nội dung:

  1. Nghiên cứu lý thuyết động cơ BLDC.
  2. Nghiên cứu kiểm tra, đo kiểm thông số động cơ BLDC.
  3. Nghiên cứu mô phỏng và điều khiển động cơ BLDC trên Matlab/Simulink.
  4. Nghiên cứu và làm mô hình điều khiển động cơ BLDC thực nghiệm.

Mục tiêu chính là phát triển và tối ưu hóa hệ thống điều khiển động cơ BLDC thông qua việc kết hợp sử dụng vi điều khiển TI C2000, bao gồm: nắm vững nguyên tắc hoạt động của động cơ BLDC; xây dựng hệ thống phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh; tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng; đánh giá tính khả thi và khả năng mở rộng ứng dụng trong ngành ô tô và công nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu gồm bốn thành phần chính: động cơ BLDC, phương pháp điều khiển Six Steps Commutation, Matlab & Simulink, và vi điều khiển TI C2000.

Phạm vi: Nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều khiển động cơ BLDC công suất nhỏ (90 W, 24 V) trong điều kiện phòng thí nghiệm; thời gian thực hiện từ ngày 28/09/2023 đến ngày 18/01/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình

Nhóm tác giả xây dựng nền tảng lý thuyết xoay quanh mô hình động cơ BLDC (Brushless DC Motor) — một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng chuyển mạch điện tử thay thế cho chổi than và cổ góp cơ khí truyền thống. Các khái niệm lý thuyết cốt lõi được trình bày gồm:

  • Sức điện động cảm ứng (Back EMF): được mô tả theo biểu thức E = 2NBlrωm, trong đó B là mật độ từ trường rotor, l chiều dài thanh dẫn, r bán kính rotor và ωm vận tốc góc. Sức điện động pha có dạng hình thang với khoảng giá trị hằng số rộng 120° điện.
  • Mô men điện từ: Te = (eaᵢa + ebᵢb + ecᵢc) / ωr, trong đó mô men đạt cực đại khi từ trường stator và rotor vuông góc nhau.
  • Phương pháp 6 Step Commutation (chuyển mạch sáu bước): phương pháp điều khiển chính, trong đó mỗi chu kỳ điện có sáu bước chuyển mạch tương ứng với sáu tổ hợp tín hiệu Hall, và tại mỗi thời điểm chỉ có hai trong ba pha stator được cấp điện — chế độ điều khiển 120°.
  • Bộ điều khiển PID: được mô tả theo hàm truyền miền Laplace C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s, với các thông số Kp (độ lợi tỉ lệ), Ki (độ lợi tích phân) và Kd (độ lợi vi phân) xác định bằng thực nghiệm.
  • Bộ biến tần (Inverter) ba pha: sử dụng 6 linh kiện bán dẫn công suất (IGBT hoặc MOSFET) để chuyển đổi điện áp DC sang xoay chiều ba pha; kỹ thuật điều chế độ rộng xung SPWM được đề cập như một phương pháp nâng cao chất lượng điện áp đầu ra.
  • Cảm biến Hall: ba cảm biến Hall đặt lệch nhau 60° hoặc 120° trên stator, yêu cầu điện áp cấp từ 4–24 V và dòng 5–15 mA; đầu ra loại open-collector cần điện trở treo.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài áp dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, được chia thành ba giai đoạn tuần tự:

  • Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu, tìm hiểu lý thuyết và mô phỏng trên Matlab/Simulink.
  • Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, hàn mạch PCB, tinh chỉnh phần mềm theo kết quả mô phỏng.
  • Giai đoạn 3: Chạy thực nghiệm nhiều lần để kiểm chứng, quay video và viết thuyết minh.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đến từ hai nguồn: (1) kết quả đo đạc thực tế trên động cơ BLDC mẫu D2BLD90 bằng máy đo LCR cầm tay Smart Tweezers, máy hiện sóng (Oscilloscope) và đồng hồ VOM; (2) dữ liệu mô phỏng từ môi trường Matlab/Simulink với bộ công cụ Simscape.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương mở đầu trình bày lý do chọn đề tài với sáu luận điểm: tính ứng dụng rộng rãi của động cơ BLDC, hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng, khả năng điều khiển linh hoạt của nền tảng TI C2000, tính phù hợp với xu hướng Công nghiệp 4.0, cơ hội nghiên cứu các thuật toán như PID và FOC, và ứng dụng trực tiếp trong ô tô điện. Chương xác định bốn từ khóa chính: Six Steps Commutation, BLDC, Matlab & Simulink, TI C2000.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này là nền tảng lý thuyết toàn diện nhất của đề tài, bao gồm:

  • Phân loại động cơ điện (AC motor và DC motor), trong đó tập trung vào BLDC.
  • Cấu tạo chi tiết động cơ BLDC: stator với cuộn dây phân bố đều tạo sức điện động hình thang; rotor với hai kiểu bố trí nam châm vĩnh cửu (Surface Mounted — gắn trên bề mặt, phù hợp tốc độ trung bình và thấp; Interior Permanent Magnet — nam châm ẩn bên trong, dùng cho tốc độ cao).
  • Phân loại In-runner (tốc độ cao, mô men nhỏ, cần hộp số; ứng dụng trong ô tô điện, hệ thống trợ lực lái) và Out-runner (tốc độ chậm, mô men lớn, không cần hộp số; ứng dụng trong xe máy điện, quạt trần).
  • Nguyên lý hoạt động cảm biến Hall và bảng trình tự chuyển mạch sáu bước (bảng tín hiệu Hall theo sáu khu vực góc từ −30° đến 330°).
  • Tổng quan bộ điều khiển PID với công thức trên miền Laplace và phương pháp Ziegler–Nichols được đề cập (nhưng không áp dụng do kết quả không chính xác trên mô hình thực tế; thay vào đó thông số được xác định bằng thực nghiệm).

Thông số động cơ BLDC tham chiếu (Bảng 2.1):

Thông số Giá trị
Công suất định mức 90 W
Điện áp định mức 24 V
Tốc độ tối đa 3.000 RPM
Mô men xoắn định mức 6 N.m
Dòng điện định mức 4,68 A
Loại Không chổi than

Chương 3: Quy trình đo và tính toán thông số động cơ BLDC

Chương trình bày quy trình đo thực nghiệm các thông số điện của động cơ BLDC gồm:

  • Số cặp cực: xác định bằng cách cấp điện áp DC khoảng 5% điện áp định mức vào hai pha và xoay rotor tay một vòng 360°, đếm số lần stator và rotor hút nhau.
  • Điện trở pha (Rs): đo bằng VOM ở trạng thái nguội. So sánh hai cách mắc stator:
Tiêu chí Mắc hình Sao (Wye Network) Mắc hình Tam giác (Delta Network)
Điện áp & Dòng điện Điện áp cao hơn, dòng điện thấp hơn Điện áp thấp hơn, dòng điện cao hơn
Mô men xoắn Thường thấp hơn Thường cao hơn
Ứng dụng Ổn định, ít rung động Cần mô men xoắn cao
Độ bền nhiệt Tạo ít nhiệt hơn Cần làm mát tốt hơn
Phức tạp Đơn giản hơn Phức tạp hơn

Phương pháp nhận biết: nếu kết quả đo B = 0,75A thì mắc Wye; B = 0,5A thì mắc Delta.

  • Độ tự cảm Ld, Lq: đo bằng máy đo LCR ở tần số 100 Hz. Nếu 2*(Lmax − Lmin)/(Lmax + Lmin) < 15% thì xác định là loại Surface Mounted (Ld ≈ Lq = Ls). Có hai phương pháp: dùng máy đo LCR cầm tay Smart Tweezers quay rotor từng bước, hoặc dùng nguồn DC và máy hiện sóng đo hằng số thời gian L/R.
  • Hằng số Back EMF (Ke): đo bằng máy hiện sóng Oscilloscope, ghi dạng sóng Back EMF tại tốc độ 1.000 RPM.
  • Case Study thực tế: đo thông số động cơ xe máy điện Vinfast Impes, bao gồm đo điện trở hai pha bất kỳ (pha U–V), điện trở pha U+V với pha W, thông số Lmax (Lq) và Lmin (Ld), và Back EMF hiển thị trên Oscilloscope.

Chương 4: Mô phỏng trên Matlab & Simulink

Chương xây dựng mô hình mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab/Simulink sử dụng bộ công cụ Simscape, gồm các khối chức năng:

  • Khối động cơ (Simscape BLDC): nhập thông số rotor (nam châm vĩnh cửu), stator (điện trở và độ tự cảm theo pha) và thông số cơ học.
  • Khối biến tần: mô phỏng mạch tương đương biến tần đầy đủ với các thông số thiết bị chuyển mạch (IGBT/MOSFET) và diốt tích hợp. Sử dụng khối Six-Pulse Gate Multiplexer và khối ModWave để tạo sóng mang, sóng điều chế và tín hiệu PWM đầu ra.
  • Khối cảm biến: mô phỏng tín hiệu cảm biến Hall, chuyển đổi tín hiệu Hall sang Hall State, mô phỏng chuỗi Hall và chuyển ngược chuỗi Hall sang tín hiệu Hall. Sử dụng Ideal torque source và Ideal Rotational Motion Sensor.
  • Khối điều khiển tốc độ: bao gồm hệ thống con Speed_Ref_Selector và bộ PI controller speed. Khối Input Scaling Subsystem xử lý tín hiệu vào.
  • Kết quả mô phỏng: đồ thị tốc độ tham chiếu và tốc độ phản hồi, dòng điện tham chiếu và dòng điện phản hồi được xuất ra và phân tích trực quan.

Chương 5: Tổng quan hệ thống và mô hình thực nghiệm

Chương mô tả chi tiết phần cứng hệ thống và quá trình thi công mô hình thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Hệ thống thực nghiệm được xây dựng gồm các thành phần phần cứng sau:

Thiết bị Thông số/Vai trò
Vi điều khiển TI C2000 (TMS320F28069M Launchpad) Xử lý tín hiệu số (DSP), phát xung PWM điều khiển biến tần
Bộ điều khiển động cơ SBLM500W Inverter 500 W điều khiển động cơ không chổi than
Động cơ BLDC D2BLD90 Động cơ thực nghiệm
Nguồn tổ ong 220VAC–24VDC Cung cấp nguồn cho hệ thống
Máy đo LCR cầm tay Smart Tweezers Đo thông số điện Ld, Lq, Rs
VESC (FSESC 4.11) Bộ điều khiển tốc độ hỗ trợ

Thông số động cơ D2BLD90 (Bảng 5.1): được tra cứu và lập bảng trong đồ án.

Thiết kế cơ khí và vỏ hộp

Mô hình được đặt trong vali nhôm (kích thước ghi trong Bảng 5.3) với khung nhôm chịu lực bên trong (Bảng 5.4). Kết cấu cơ khí được thiết kế hỗ trợ trên phần mềm SolidWorks trước khi thi công thực tế. Các kích thước của từng thiết bị (nguồn tổ ong, vi điều khiển TI C2000, Inverter SBLM500, motor) đều được lập bảng riêng (Bảng 5.5 đến Bảng 5.8).

Kết nối và lập trình

  • Mạch PCB tùy chỉnh được hàn để kết nối F28069M Launchpad với Inverter SBLM500, giúp gọn hóa hệ thống dây dẫn.
  • Sơ đồ đấu dây giữa F28069M Launchpad và Inverter SBLM500 (Bảng 5.9), giữa F28069M Launchpad và động cơ BLDC (Bảng 5.10), và giữa BLDC với SBLM500 (Bảng 5.11).
  • Phần mềm phát triển trên Matlab/Simulink với bộ add-on Simscape, sau đó được nạp xuống vi điều khiển TI C2000 thông qua luồng làm việc Model-Based Design.

Kiểm thử và kết quả thực nghiệm

Kiểm thử bao gồm quan sát dạng sóng PWM trên các kênh MOSFET bằng Oscilloscope:

  • PWM MOSFET highside A và lowside A
  • PWM MOSFET highside A và lowside B
  • PWM MOSFET highside A và lowside C

Kết quả thực nghiệm được ghi nhận qua hai đồ thị: tốc độ thực tế khi điều khiển (Hình 5.32) và dòng điện phản hồi khi động cơ BLDC hoạt động (Hình 5.33).

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Đồ án hoàn thành được các sản phẩm đầu ra đã cam kết trong nhiệm vụ đề tài:

  • 01 mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh điều khiển động cơ BLDC bằng vi điều khiển TI C2000 (F28069M Launchpad), đặt trong vali nhôm với khung chịu lực, có sơ đồ đấu dây đầy đủ và PCB kết nối.
  • Hệ thống mô phỏng Matlab/Simulink hoàn chỉnh với các khối Simscape mô phỏng động cơ, biến tần, cảm biến Hall và bộ điều khiển tốc độ PI — có đồ thị tốc độ tham chiếu và tốc độ phản hồi, dòng điện tham chiếu và dòng điện phản hồi.
  • Quy trình đo kiểm thông số động cơ BLDC chi tiết bao gồm đo Rs, Ld, Lq và Ke, được kiểm chứng thực tế trên động cơ xe máy điện Vinfast Impes.
  • Dạng sóng PWM đo được trên mô hình thực xác nhận hệ thống chuyển mạch sáu bước hoạt động đúng theo lý thuyết.

Giải pháp và hướng áp dụng

Nhóm tác giả đề xuất hệ thống này có thể ứng dụng trong:

  • Hệ thống truyền động điện và hệ thống lái điện trên xe điện và xe hybrid.
  • Hệ thống quạt làm mát và các thiết bị điện tử trên xe.
  • Các hệ thống tự động hóa trong bối cảnh Công nghiệp 4.0 và ứng dụng IoT.

Đóng góp

So với các nghiên cứu và tài liệu hướng dẫn thông thường, đồ án cung cấp: (1) quy trình đo thông số động cơ BLDC thực tế có thể áp dụng ngay mà không cần dữ liệu từ nhà sản xuất; (2) mô hình Simulink đầy đủ tích hợp từ mô phỏng đến triển khai trên phần cứng thực (TI C2000) theo luồng Model-Based Design; (3) hướng dẫn thi công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh bao gồm thiết kế cơ khí, hàn PCB và lập trình vi điều khiển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản không liệt kê tường minh các hạn chế, tuy nhiên dựa trên phạm vi đề tài có thể nhận thấy:

  • Nghiên cứu chỉ áp dụng phương pháp 6 Step Commutation (chuyển mạch sáu bước); phương pháp FOC (Field Oriented Control) được nhắc đến như một phương pháp tiên tiến hơn nhưng không được triển khai trong đề tài này. Nhóm tác giả xác định đây là hướng phát triển tiếp theo.
  • Mô hình thực nghiệm được chạy trên động cơ 90 W, 24 V trong điều kiện phòng thí nghiệm; chưa kiểm chứng trên các động cơ công suất lớn hơn hoặc trong điều kiện tải thực tế.
  • Thông số PID được xác định hoàn toàn bằng thực nghiệm, chưa áp dụng phương pháp tối ưu hóa có hệ thống.

Hướng phát triển trong tương lai được chương 6 đề cập: mở rộng sang các thuật toán điều khiển nâng cao, ứng dụng trong hệ thống xe điện thực tế và các lĩnh vực công nghiệp khác.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Điện tử Ô tô đang tìm hiểu về hệ thống truyền động điện, điều khiển động cơ BLDC và ứng dụng vi điều khiển trong xe điện.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Cơ điện tử muốn thực hành với TI C2000, Matlab/Simulink Simscape và phương pháp Model-Based Design.
  • Nhóm thực hiện đồ án tương tự có thể khai thác trực tiếp: Chương 3 (quy trình đo thông số động cơ không cần tài liệu nhà sản xuất), Chương 4 (cấu trúc mô hình Simulink tham chiếu) và Chương 5 (hướng dẫn thi công phần cứng, sơ đồ đấu dây và kích thước linh kiện).
  • Người nghiên cứu về ô tô điện quan tâm đến các bước từ lý thuyết BLDC đến hiện thực hóa bộ điều khiển trên phần cứng nhúng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp 6 Step Commutation hoạt động như thế nào và khác gì so với FOC? Phương pháp 6 Step Commutation điều khiển động cơ BLDC bằng cách đóng ngắt 6 van bán dẫn (IGBT/MOSFET) theo trình tự cố định dựa trên tín hiệu ba cảm biến Hall, ở mỗi thời điểm chỉ có hai pha được cấp điện (chế độ điều khiển 120°). Một chu kỳ điện có sáu bước chuyển mạch, mỗi bước tương ứng một tổ hợp tín hiệu Hall trong sáu khu vực góc từ −30° đến 330°. Đồ án ghi nhận phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, nhưng không đạt hiệu suất và độ chính xác cao như FOC. FOC được đề cập như hướng phát triển tiếp theo nhưng không triển khai trong đề tài này.

2. Làm thế nào để xác định động cơ BLDC đang mắc theo kiểu Wye hay Delta khi không có tài liệu nhà sản xuất? Theo quy trình trong Chương 3: đo điện trở một cặp pha (gọi là A), sau đó nối hai đầu bất kỳ vào chung và đo với đầu còn lại (gọi là B). Nếu B = 0,75A thì động cơ đang mắc Wye Network; nếu B = 0,5A thì đang mắc Delta Network. Với mắc Wye, điện trở pha Rs bằng kết quả đo hai pha chia cho hai.

3. Vì sao đề tài chọn vi điều khiển TI C2000 (cụ thể là TMS320F28069M) thay vì các vi điều khiển khác? Đồ án lập luận rằng TI C2000 cung cấp nhiều tính năng và thư viện hỗ trợ phát triển ứng dụng điều khiển động cơ, đặc biệt khả năng tích hợp với Matlab/Simulink thông qua phần mở rộng trên Simulink cho dòng C28x, phù hợp với phương pháp Model-Based Design từ mô phỏng đến triển khai phần cứng thực.

4. Quy trình đo thông số Ld và Lq trên động cơ BLDC Surface Mounted khác gì với Interior Permanent Magnet? Với loại Surface Mounted, Ld ≈ Lq nên chỉ cần đo Ls chung. Tiêu chí nhận biết: nếu 2*(Lmax − Lmin)/(Lmax + Lmin) < 15% khi quay rotor thì xác định là Surface Mounted. Phép đo thực hiện bằng máy LCR ở tần số 100 Hz, kết nối hai pha và quay rotor từng bước để ghi Lmax và Lmin. Trong đồ án, giá trị Lmax (Lq) và Lmin (Ld) được đo và ghi lại thực tế trên động cơ Vinfast Impes và động cơ D2BLD90.

5. Thông số PID trong bộ điều khiển tốc độ của đồ án được xác định như thế nào? Đồ án trình bày bộ điều khiển PI (tốc độ) và đề cập phương pháp Ziegler–Nichols, tuy nhiên ghi nhận rằng phương pháp này không chính xác cho mô hình thực tế vì nó xác định thông số ở ranh giới ổn định–bất ổn định trong khi hệ thống thực phải hoạt động ổn định. Do đó, các thông số Kp và Ki được xác định hoàn toàn bằng thực nghiệm dựa trên đáp ứng của hệ thống thực.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cho động cơ BLDC sử dụng TI C2000" là công trình kỹ thuật hoàn chỉnh trong lĩnh vực điện tử ô tô, đi từ nền tảng lý thuyết động cơ BLDC đến quy trình đo thông số thực nghiệm, mô phỏng trên Matlab/Simulink với Simscape, và thi công mô hình phần cứng thực dựa trên vi điều khiển TI C2000 F28069M. Phương pháp 6 Step Commutation được áp dụng xuyên suốt từ mô phỏng đến thực nghiệm, với kết quả dạng sóng PWM và đồ thị tốc độ phản hồi xác nhận hệ thống hoạt động đúng. Hướng phát triển tiếp theo được nhóm tác giả xác định là mở rộng sang phương pháp FOC và ứng dụng vào hệ thống truyền động điện công suất lớn hơn trong bối cảnh ô tô điện đang phát triển mạnh tại Việt Nam.