Luận Văn So Sánh Máy PMSM Và BLDC: Bàn Về Điều Khiển Trực Tiếp Mô Men

Máy PMSM (Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) và máy BLDC (Động cơ không chổi than dòng một chiều) là hai loại… 66 trang · Đại học Dân lập Hải Phòng · 2018.

• Tác giả: Nguyễn Đăng Phương
• Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn
• Trường học: Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: So sánh máy PMSM và BLDC bàn về điều khiển trực tiếp mô men các động cơ này
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM)
• 1.1. CẤU TẠO
• 1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ PMSM
• 1.3. TÍNH CHẤT CỦA ĐỘNG CƠ PMSM
• 1.4. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PMSM
• 1.5. BỘ BIẾN TẦN CỦA PMSM
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN DÒNG 1 CHIỀU (BLDC)
• 3. CHƯƠNG 3: SO SÁNH MÁY PMSM VÀ BLDC BÀN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN CÁC ĐỘNG CƠ NÀY
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy PMSM và BLDC

Máy PMSM (Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) và máy BLDC (Động cơ không chổi than dòng một chiều) là hai loại động cơ điện hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Máy PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường, trong khi máy BLDC dùng cuộn dây stator để tạo từ trường quay. Cả hai đều có ưu điểm về hiệu suất động cơ cao và khả năng điều khiển chính xác. Tuy nhiên, chúng khác biệt về cấu trúc và phương pháp điều khiển. Máy PMSM thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, như robot và máy công cụ, trong khi máy BLDC phổ biến trong các thiết bị gia dụng và ô tô điện.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy PMSM

Máy PMSM có cấu tạo gồm stator với cuộn dây ba pha và rotor với nam châm vĩnh cửu. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường cố định của rotor. Khi cấp điện, từ trường quay sẽ kéo rotor quay đồng bộ với tốc độ từ trường. Máy PMSM có ưu điểm là không cần chổi than, giảm ma sát và tăng tuổi thọ động cơ. Ngoài ra, hiệu suất động cơ của PMSM cao hơn so với các loại động cơ khác, đặc biệt ở dải công suất thấp.

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy BLDC

Máy BLDC có cấu tạo gồm stator với cuộn dây ba pha và rotor với nam châm vĩnh cửu. Khác với PMSM, BLDC sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện một chiều để tạo từ trường quay. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc chuyển đổi dòng điện trong các cuộn dây stator để tạo ra từ trường quay, kéo rotor quay. Máy BLDC có ưu điểm là dễ điều khiển và chi phí thấp hơn so với PMSM. Tuy nhiên, hiệu suất động cơ của BLDC thường thấp hơn PMSM, đặc biệt ở dải công suất cao.

II. Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men

Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) là một kỹ thuật tiên tiến được áp dụng cho cả máy PMSM và máy BLDC. Phương pháp này tập trung vào việc điều khiển mô men và từ thông một cách trực tiếp, không cần thông qua các bộ điều khiển phức tạp. DTC giúp cải thiện hiệu suất động cơ và độ chính xác trong điều khiển. Đối với máy PMSM, DTC được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn thất năng lượng. Đối với máy BLDC, DTC giúp cải thiện khả năng đáp ứng và độ ổn định của hệ thống.

2.1. Ứng dụng DTC trong máy PMSM

Trong máy PMSM, phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) được sử dụng để điều khiển mô men và từ thông một cách độc lập. Phương pháp này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất động cơ. DTC cũng giúp tăng độ chính xác trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như robot và máy công cụ.

2.2. Ứng dụng DTC trong máy BLDC

Đối với máy BLDC, phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) giúp cải thiện khả năng đáp ứng và độ ổn định của hệ thống. Phương pháp này tập trung vào việc điều khiển mô men một cách trực tiếp, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng độ chính xác trong điều khiển. DTC cũng giúp cải thiện hiệu suất động cơ và giảm tổn thất năng lượng, phù hợp với các ứng dụng trong ô tô điện và thiết bị gia dụng.

III. So sánh máy PMSM và BLDC

So sánh máy PMSM và BLDC cho thấy cả hai đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Máy PMSM có hiệu suất động cơ cao hơn và phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Trong khi đó, máy BLDC có chi phí thấp hơn và dễ điều khiển hơn, phù hợp với các ứng dụng phổ thông. Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) được áp dụng hiệu quả cho cả hai loại động cơ, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển.

3.1. Ưu điểm và nhược điểm của máy PMSM

Máy PMSM có ưu điểm là hiệu suất động cơ cao, độ chính xác trong điều khiển tốt, và không cần chổi than. Tuy nhiên, chi phí sản xuất và bảo trì cao hơn so với máy BLDC. Máy PMSM phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như robot và máy công cụ.

3.2. Ưu điểm và nhược điểm của máy BLDC

Máy BLDC có ưu điểm là chi phí thấp, dễ điều khiển, và phù hợp với các ứng dụng phổ thông. Tuy nhiên, hiệu suất động cơ của BLDC thường thấp hơn so với PMSM, đặc biệt ở dải công suất cao. Máy BLDC phù hợp với các ứng dụng trong ô tô điện và thiết bị gia dụng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự tăng trưởng kinh tế kéo theo nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng cao trong sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và các ngành dịch vụ. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết cho ngành kỹ thuật điện và tự động hóa trong việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng, nâng cao chất lượng điều khiển và phát triển các hệ truyền động điện tiên tiến. Trong số các dòng máy điện hiện đại, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor) và động cơ một chiều không chổi than (BLDC - Brushless DC Motor) đang dần thay thế các động cơ không đồng bộ (IM) và động cơ một chiều truyền thống dùng chổi than trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, xe điện và hệ thống servo.

Đề tài đồ án tốt nghiệp đại học "So sánh máy PMSM và BLDC bàn về điều khiển trực tiếp mô men các động cơ này" do sinh viên Nguyễn Đăng Phương thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2018) nhằm giải quyết các nhiệm vụ trọng tâm sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý vận hành, mô hình toán học và các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).
2. Phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương thức xác định vị trí rotor (cảm biến Hall, quang học, từ trở MR, không cảm biến) và giải thuật điều khiển chuyển mạch sáu bước của động cơ một chiều không chổi than (BLDC).
3. Thực hiện so sánh đối chiếu toàn diện về đặc tính điện, từ, cơ học và thuật toán điều khiển giữa hai loại động cơ PMSM và BLDC; từ đó bàn luận về giải pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC - Direct Torque Control) ứng dụng cho các hệ truyền động này.

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) và động cơ một chiều không chổi than (BLDC).
• Phạm vi nghiên cứu: Lý thuyết máy điện xoay chiều nam châm vĩnh cửu, mô hình toán học trên hệ tọa độ $d-q$, các giải thuật điều khiển công suất (FOC, DTC, PWM, trễ dòng) và các kỹ thuật cảm biến vị trí phục vụ chuyển mạch điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết máy điện, kỹ thuật điện tử công suất và lý thuyết điều khiển tự động các hệ truyền động điện:

• Mô hình toán học máy điện: Xây dựng phương trình trạng thái của động cơ đồng bộ trên hệ trục tọa độ quay đồng bộ $d-q$ (biến đổi Park-Clarke) để giải mã mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện, từ thông và mô men điện từ.
• Lý thuyết chuyển mạch điện tử: Nguyên lý thay thế cổ góp cơ khí bằng bộ nghịch lưu độc lập 6 van bán dẫn công suất (MOSFET, IGBT) kết hợp diode hoàn năng lượng.
• Kỹ thuật điều chế và điều khiển: Lý thuyết điều khiển vector (FOC), điều khiển dải trễ (hysteresis control), điều chế độ rộng xung (PWM) và kỹ thuật điều khiển không cảm biến (sensorless) dựa trên việc phát hiện điểm qua không (zero-crossing) của sức phản điện động (Back-EMF).

Phương pháp nghiên cứu chính được tác giả áp dụng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các công thức toán học mô tả quá trình biến đổi năng lượng cơ - điện, phương trình cân bằng điện áp và phương trình động học rotor.
• Phương pháp so sánh kỹ thuật: Đối chiếu các chỉ tiêu kỹ thuật giữa động cơ không đồng bộ (IM), PMSM và BLDC trên các phương diện: dạng sóng sức phản điện động (hình sin và hình thang), hiệu suất năng lượng (tiêu chuẩn IE3, IE5), hệ số công suất $\cos\varphi$, độ nhấp nhô mô men và mức độ phức tạp của thuật toán điều khiển.
• Nguồn dữ liệu: Các tài liệu chuyên ngành về truyền động điện tự động, tiêu chuẩn hiệu suất quốc tế IEC, cùng các nghiên cứu học thuật của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn và các tác giả trong ngành Điện Tự động công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Chương 1 tập trung khảo sát cấu tạo, mô hình toán học và nguyên lý điều khiển của động cơ PMSM.

Về mặt cấu tạo:

• Phần cảm (rotor) sử dụng nam châm vĩnh cửu làm từ các vật liệu đất hiếm như Samarium - Cobalt ($\text{SmCo}_5, \text{Sm}2\text{Co}{17}$) hoặc Neodymium - Iron - Boron ($\text{NdFeB}$) có từ dư lớn ($B_r = 0{,}5 \div 1{,}5\text{ T}$) và lực kháng từ cao, hoặc nam châm gốm. Rotor được chia thành hai dạng kết cấu chính:
  • Động cơ cực lồi (từ trường hướng trục): Đường kính rotor lớn, chiều dài ngắn, nam châm đặt chìm trong đĩa nhôm/nhựa nhẹ, thường dùng trong kỹ thuật robot.
  • Động cơ cực ẩn (từ trường hướng kính): Nam châm bố trí chìm hoặc gắn trên bề mặt rotor khối thép rèn, tỷ số chiều dài/đường kính lớn, chịu lực ly tâm tốt, thích hợp cho máy công cụ tốc độ cao.
• Phần ứng (stator) gồm lõi thép lá tôn silic dày $0{,}5\text{ mm}$ phủ sơn cách điện dập rãnh, các rãnh thông gió ngang trục $10\text{ mm}$ đặt cách nhau $3 \div 6\text{ cm}$. Ngoài stator có răng kinh điển, tác giả giới thiệu stator không răng giúp loại bỏ mô men đập mạch ở tốc độ thấp nhưng đòi hỏi khe hở không khí lớn hơn.

Về mô hình toán học trên hệ trục $d-q$:

• Điện áp stator: $$u_d = r \cdot i_d + p\Psi_d - \omega_s \Psi_q$$ $$u_q = r \cdot i_q + p\Psi_q + \omega_s \Psi_d$$
• Từ thông móc vòng: $$\Psi_d = L_d \cdot i_d + \Psi_{af}$$ $$\Psi_q = L_q \cdot i_q$$
• Biểu thức mô men điện từ: $$M_e = \frac{3}{2} p \left[ \Psi_{af} \cdot i_q + (L_d - L_q) \cdot i_d \cdot i_q \right]$$
• Phương trình động học: $$M_e = M_L + B\omega_r + J \frac{d\omega_r}{dt}$$ (trong đó $p$ là số đôi cực, $\Psi_{af}$ là từ thông nam châm móc vòng stator, $\omega_s = p\omega_r$ là tần số điện)

Về chỉ tiêu vận hành: PMSM khắc phục được nhược điểm của động cơ không đồng bộ (IM). Do rotor không có tổn thất dòng cảm ứng (vốn chiếm khoảng 20% tổng tổn hao ở IM), nhiệt độ làm việc của PMSM thấp hơn khoảng 30% so với IM cùng công suất, hạn chế hiện tượng khử từ nam châm. Hệ số công suất $\cos\varphi$ luôn duy trì mức xấp xỉ 1 trên dải tải rộng, giảm dòng từ hóa và tổn hao đồng stator, hướng tới tiêu chuẩn hiệu suất IE5.

Về cấu trúc điều khiển:

• Điều khiển vector (FOC): Khi duy trì $i_d = 0$, mô men tuyến tính theo dòng trục $q$: $M_e = K_t \cdot i_q$ với $K_t = \frac{3}{2} p \Psi_{af}$, tương đương động cơ một chiều kích từ độc lập.
• Bộ điều khiển dải trễ (Hysteresis): So sánh dòng đo $i_a, i_b, i_c$ với dòng đặt trong biên độ dải trễ $\Delta i$ để đóng ngắt trực tiếp 6 van nghịch lưu $T_1 - T_6$. Dải trễ hẹp giúp dòng bám sát sin nhưng làm tăng tần số đóng ngắt và tổn hao chuyển mạch.
• Bộ điều chế PWM: So sánh sai lệch dòng điện với sóng mang tam giác tần số cố định để cấp xung điều khiển nghịch lưu.

Chương 2: Giới thiệu động cơ không chổi than dòng một chiều (BLDC)

Chương 2 trình bày tổng quan cấu tạo, các phương thức cảm biến vị trí rotor và các giải thuật điều khiển chuyển mạch cho động cơ BLDC.

Đặc tính kết cấu và phân loại:

• Động cơ BLDC thực chất là máy điện xoay chiều đồng bộ có sức phản điện động dạng hình thang, sử dụng bộ chuyển mạch điện tử thay thế cổ góp cơ khí. Dải công suất ứng dụng trải rộng: từ vài Watt (quạt làm mát, ổ đĩa máy tính, máy in/scan), dưới $10\text{ kW}$ (servo công nghiệp) đến $5 \div 100\text{ kW}$ (truyền động xe điện dùng ắc quy/pin).
• Cấp điện áp vận hành: $\le 48\text{ V}$ cho robot và thiết bị chính xác; $\ge 100\text{ V}$ cho các thiết bị công nghiệp.
• Rotor gồm $2 \div 8$ đôi cực nam châm Ferrite (giá rẻ, mật độ từ thông thấp) hoặc hợp kim đất hiếm (mật độ từ thông cao, kích thước nhỏ gọn). Kết cấu rotor gồm dạng gắn bề mặt (tốc độ thấp/trung bình) hoặc gắn ẩn trong rãnh lõi thép (tốc độ cao).

Phương pháp xác định vị trí rotor:

1. Cảm biến Hall: Đặt lệch nhau $60^\circ$ hoặc $120^\circ$ trong không gian stator, cấp nguồn $4 \div 24\text{ V}$, dòng $5 \div 15\text{ mA}$, đầu ra cực thu hở (open-collector) yêu cầu điện trở treo (pull-up resistor).
2. Cảm biến từ trở (MR): Nhận biết sự biến thiên điện trở theo từ thông rotor.
3. Cảm biến quang học: Sử dụng bộ 3 transistor quang kết hợp màn chắn quay có góc che phủ $240^\circ$ (hoặc đĩa chia 6 lỗ lệch $60^\circ$) để cấp xung kích mở các van bán dẫn.
4. Phương pháp không cảm biến (Sensorless): Dựa trên việc đo điện áp sđđ trên pha hở mạch để bắt điểm đi qua điểm không (zero-crossing detection). Phương pháp này đòi hỏi xây dựng điểm trung tính nhân tạo (trung tính ảo), tuy nhiên dễ bị ảnh hưởng bởi xung nhiễu PWM.

Giải thuật chuyển mạch 6 bước (Six-step Commutation): Cứ mỗi $60^\circ$ điện, một cảm biến Hall đổi trạng thái logic, hệ thống thực hiện chuyển mạch 1 lần (6 bước hoàn thành một chu kỳ điện). Tại mỗi bước, chỉ có 2 pha dẫn điện (1 pha nối $+U_{dc}$, 1 pha nối $-U_{dc}$), pha thứ ba hở mạch. Dòng điện stator có dạng xung vuông rộng $120^\circ$ điện trùng pha với đỉnh bằng phẳng của sức phản điện động hình thang nhằm tối đa hóa mô men và giảm thiểu đập mạch.

Bảng thứ tự chuyển mạch 6 bước khi động cơ quay thuận (cảm biến Hall lệch $60^\circ$):

Thứ tự bước	Trạng thái Hall (A-B-C)	Tín hiệu kích van PWM	Dòng điện pha A	Dòng điện pha B	Dòng điện pha C
1	1 - 0 - 1	PWM5 ($Q_5$), PWM6 ($Q_6$)	Hở (0)	$-DC$	$+DC$
2	1 - 0 - 0	PWM1 ($Q_1$), PWM6 ($Q_6$)	$+DC$	$-DC$	Hở (0)
3	1 - 1 - 0	PWM1 ($Q_1$), PWM2 ($Q_2$)	$+DC$	Hở (0)	$-DC$
4	0 - 1 - 0	PWM3 ($Q_3$), PWM2 ($Q_2$)	Hở (0)	$+DC$	$-DC$
5	0 - 1 - 1	PWM3 ($Q_3$), PWM4 ($Q_4$)	$-DC$	$+DC$	Hở (0)
6	0 - 0 - 1	PWM5 ($Q_5$), PWM4 ($Q_4$)	$-DC$	Hở (0)	$+DC$

Đặc tính cơ và mô men:

• Phương trình đặc tính cơ: $$\omega = \frac{U}{K\Phi} - \frac{R}{(K\Phi)^2} M_e$$ Mối quan hệ giữa tốc độ $\omega$ và mô men $M_e$ là đường tuyến tính, tương tự động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
• Sức phản điện động trên mỗi pha: $$E = 2 \cdot N \cdot l \cdot r \cdot B \cdot \omega$$ (trong đó $N$ là số vòng dây, $l$ là chiều dài rotor, $r$ là bán kính rotor, $B$ là mật độ từ cảm)

Chương 3: So sánh máy PMSM và BLDC bàn về điều khiển trực tiếp mô men các động cơ này

Chương 3 tổng kết sự khác biệt bản chất giữa PMSM và BLDC, đồng thời làm rõ nguyên lý điều khiển trực tiếp mô men (DTC).

Bảng so sánh kỹ thuật giữa động cơ PMSM và BLDC:

Tiêu chí so sánh	Động cơ PMSM	Động cơ BLDC
Dạng sóng sđđ (Back-EMF)	Hình sin thuần	Hình thang
Dạng dòng điện cấp	Hình sin 3 pha đồng thời ($180^\circ$ dẫn)	Xung vuông chữ nhật ($120^\circ$ dẫn, 2 pha dẫn cùng lúc)
Yêu cầu cảm biến vị trí	Yêu cầu độ phân giải cao (Encoder, Resolver)	Chỉ cần 3 cảm biến Hall đơn giản ($60^\circ / 120^\circ$)
Chất lượng mô men	Mô men phẳng, đập mạch rất thấp ($\approx 2%$)	Mô men có độ nhấp nhô cao tại các thời điểm chuyển mạch
Độ phức tạp điều khiển	Phức tạp (biến đổi tọa độ $d-q$, FOC/SVPWM)	Đơn giản (bảng chân lý 6 bước kết hợp PWM)
Chi phí chế tạo hệ thống	Cao hơn (dây quấn phân bố, bộ điều khiển phức tạp)	Thấp hơn (dây quấn tập trung, mạch lái đơn giản)
Ứng dụng tiêu biểu	Servo độ chính xác cao, máy công cụ CNC, robot	Quạt, thiết bị gia dụng, xe điện, bơm công nghiệp

Về phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC):

• Bản chất của DTC là điều khiển đóng cắt trực tiếp trạng thái các van nghịch lưu dựa trên sai lệch tức thời của từ thông stator và mô men điện từ (thông qua hai bộ so sánh trễ hysteresis riêng biệt) kết hợp với bảng tra cứu vector điện áp (Look-up Table).
• Ưu điểm của DTC khi ứng dụng cho PMSM/BLDC: loại bỏ hoàn toàn các khâu biến đổi tọa độ Park-Clarke phức tạp, không cần bộ điều chế PWM nội vòng và ít phụ thuộc vào thông số điện trở rotor/stator, mang lại đáp ứng động học mô men cực nhanh.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể:

• Làm sáng tỏ bản chất phân loại máy điện nam châm vĩnh cửu: Yếu tố then chốt phân biệt PMSM và BLDC nằm ở dạng sóng sức phản điện động (Back-EMF hình sin đối với PMSM và hình thang đối với BLDC), không phụ thuộc vào tên gọi thương mại hay loại cảm biến gắn ngoài.
• Xây dựng hệ thống bảng logic chuyển mạch 6 bước hoàn chỉnh cho động cơ BLDC ứng với cả hai chiều quay thuận và nghịch, phân tích cấu trúc mạch nghịch lưu 6 van (MOSFET/IGBT) và nguyên lý đo vị trí bằng cảm biến Hall/quang học.
• Đánh giá định lượng hiệu quả năng lượng của PMSM so với IM: giảm 30% nhiệt độ làm việc, hệ số công suất xấp xỉ 1, triệt tiêu tổn hao đồng rotor, hướng tới tiêu chuẩn hiệu suất IE5.
• Đề xuất luận điểm kỹ thuật về việc áp dụng điều khiển vector FOC cho PMSM và điều khiển chuyển mạch/DTC nhằm tối ưu hóa chất lượng truyền động cho từng dòng máy điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Đồ án tập trung chủ yếu vào nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình toán học và phân tích nguyên lý điều khiển; chưa tích hợp kết quả mô phỏng số trên phần mềm (như MATLAB/Simulink) hoặc kết quả đo kiểm thực nghiệm trên mô hình phần cứng thực tế.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển FOC và DTC trên máy tính.
  • Thiết kế mạch điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển/DSP kết hợp module công suất IGBT thực tế để điều khiển động cơ PMSM/BLDC.
  • Nghiên cứu hoàn thiện các giải thuật lọc nhiễu cho phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless) ở dải tốc độ cực thấp và khi khởi động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa công nghiệp và Cơ điện tử:

• Phần cấu tạo và mô hình d-q (Chương 1): Hữu ích cho các đề tài phân tích động học máy điện xoay chiều và thiết kế bộ điều khiển vector.
• Bảng logic chuyển mạch 6 bước và mạch cảm biến Hall (Chương 2): Cung cấp dữ liệu thiết kế thực tế cho kỹ sư lập trình vi điều khiển điều khiển động cơ BLDC trong xe điện và thiết bị gia dụng.
• Bảng so sánh tổng hợp (Chương 3): Giúp người học nhanh chóng nắm bắt tiêu chí lựa chọn động cơ phù hợp cho từng bài toán truyền động công nghiệp cụ thể.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt cốt lõi nhất để phân biệt giữa động cơ PMSM và động cơ BLDC là gì?
Điểm khác biệt quyết định là dạng sóng sức phản điện động (Back-EMF) ở stator: PMSM có sức phản điện động dạng hình sin, trong khi BLDC có sức phản điện động dạng hình thang. Dòng điện cấp tương ứng cho PMSM là dòng xoay chiều 3 pha hình sin ($180^\circ$ dẫn), còn BLDC là dòng xung vuông ($120^\circ$ dẫn).

2. Tại sao động cơ PMSM lại có nhiệt độ làm việc thấp hơn khoảng 30% so với động cơ không đồng bộ (IM) cùng công suất?
Do rotor của PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu có điện trở suất lớn nên dòng điện cảm ứng rotor được triệt tiêu hoàn toàn, loại bỏ tổn thất nhiệt trên lồng sóc (thành phần chiếm khoảng 20% tổng tổn thất ở động cơ IM). Đồng thời, hệ số công suất $\cos\varphi$ cao làm giảm dòng điện đầu vào, giảm tổn thất đồng trên stator.

3. Nguyên lý của phương pháp điều khiển không cảm biến (Sensorless) trên động cơ BLDC là gì?
Phương pháp này dựa trên việc phát hiện thời điểm điện áp sức phản điện động đi qua điểm 0 (zero-crossing) trên cuộn dây pha đang hở mạch (không cấp dòng). Tín hiệu đo được so sánh với điểm trung tính thật hoặc điểm trung tính ảo của stator để suy ra vị trí góc quay rotor mà không cần cảm biến Hall.

4. Cảm biến Hall trong động cơ BLDC thường được bố trí lệch nhau bao nhiêu độ và yêu cầu kết nối mạch ra sao?
Cảm biến Hall thường được bố trí lệch pha nhau $60^\circ$ hoặc $120^\circ$ điện trong stator, được cấp nguồn từ $4 \div 24\text{ V}$ với dòng tiêu thụ $5 \div 15\text{ mA}$. Đầu ra cảm biến là dạng cực thu hở (open-collector) nên bắt buộc phải có điện trở treo (pull-up resistor) nối lên nguồn phía bộ điều khiển để tạo xung vuông chuẩn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Đăng Phương đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và nguyên lý điều khiển của hai dòng máy điện hiện đại PMSM và BLDC. Tác giả đã làm rõ sự khác biệt về dạng sóng sức điện động, kết cấu rotor và phương thức chuyển mạch điện tử giữa hai loại động cơ. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng vượt trội của PMSM và BLDC về hiệu suất và mật độ công suất, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cho chuyên ngành Điện Tự động công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). Chương 2: Giới thiệu động cơ không chổi than dòng 1 chiều (BLDC). Chương 3: So sánh máy PMSM và BLDC bàn về điều khiển trực tiếp mô men các động cơ này. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM) 1.

CẤU TẠO Hình1.1 Cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu Ở loại động cơ này cực từ tạo bởi nam châm vĩnh cửu bằng hợp kim đặc biệt có độ từ dư rất lớn ( 0,5 ÷ 1,5 T ). Cực từ có dạng cực lồi và đặt ởrôto khoảng cách giữa các cực có đổ nhôm kín và toàn bộ rôto là một khối trụ. Nếu dùng làm động cơ điện thì cần đặt dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Vì khó gia công rãnh trên hợp kim nam châm nên thường chế tạo lồng sóc như động cơ không đồng bộ và đặt hai đĩa nam châm ở hai đầu.

Với kết cấu như vậy sẽ tốn vật liệu hơn và thường chế tạo với công suất : 30 ÷ 40 W. Trong trường hợp dùng như máy phát không có dây quấn mở máy, công suất có thểlên tới 5 ÷ 10 KW đôi khi đến 100KW. Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nóiriêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở roto và phần ứng là hệđây quấn 3 pha đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thìphần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặthoặc dưới bề mặt roto.

Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm 2 ví dụ như samariu - cobalt (SmCO 5 – SmCO 17 ) hoặc Neodymium – ion – boron (NdFeb) là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép roto đểđạt dược độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữacác thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bulon lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm có độ bền cao. Vì rotor không cần nguồn kích thích nên động cơ loại này có thể hoạt động mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn. Những động cơ này có công suất từ 100w đến 100kw.

Momen tối đa của máy được thiết kế không vượt quá 150% momen định mức.Nếu máy hoạt động quá momen max thì sẽ mất tính đồng bộ và sẽ hoạt động như một động cơ cảm ứng hoặc ngưng hoạt động. Những động cơ này đa số là khởi động trực tiếp. Công suất và hệ sốcông suất của mỗi động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường tốt hơn 5 đến 10 lần động cơ từ trở tương ứng. * Ưu điểm Động cơ không có chổi than hoặc vành trượt trên rotor thì không sinh ra tia lửa điện khi hoạt động, lúc này công việc bảo dưỡng chổi than được bài trừ.

Những động cơ này có thể kéo vào đồng bộ các tải có mức quán tính lớn hơn quán tính rotor của chúng nhiều lần. Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thành 2 loại: Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét dưới đây có thể thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy này. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi. Cấu tạo gồm 2 phần chính là roto và stato: *Stato của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy.Lõi thép stato gồm các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic dày 0,5mm) 2 mặt được phủ lớp sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lạivới nhau tạo thành những hình trụ rỗng , bên mặt trong 3 tạo thành các rãnh theo hướng trục để đặt dây quấn.

Dọc chiều dài của lõi thép stator cư cách khoảng 3 -6 cm lại có một khoảng thông gió ngang trục rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy. Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió làm mát máy tốt nhất. Nắp máy thường được chế tạo bằng gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc.

Dây quấn stator thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật, bề mặt dược phủ một lớp cách điện, được quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép stator, được đấu nối theo qui luật nhất định tạo thành sơ đồ hình sao hoặc tam giác. * Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên dường kính roto có thể lớn trong khi chiều dài lại nhỏ. Roto thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao. Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này.

Các loại máy này thường được goi là máy từ trường hướng trục. Loại nàythường được sử dụng trong kỹ thuật robot.Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi 1. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn. * Stator động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn tương tự như động cơ cực lồi * Roto của máy điện cực ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn bằng khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm.

4 Khi các thanh nam châm ẩn trong rôt thì có thể đạt được cẩu trúc cơ học bền vững hơn. Kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm roto thường có dạng hình trrongs với tỷ số “chiều dài/ đường kính “ lớn. Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính, nó thường được sử dụng trong các máy công cụ.

Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể dược gọi là khe hở không khí đều. Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép roto về mặt vật lí coi là không có sự thay đổi nào của hình học bề mặt nam châm. Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh , vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả không gian vuông góc với từ thông nam châm. Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momen của máy điện.3 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn Với yêu cầu của truyền động secvo và truyền động phải êm, do đó cần phải hạn chế momen răng và momen đập mạch do các sóng hài không gian và thời gian sinh ra.

Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm , uốn nam châm lượn chéo theo trục roto, uốn rãnh và dây quấn stattro kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm. Kỹ thuật tạo ra các roto xiên là khá đắt tiền và phức tạp. Trong điều kiện bình thường của truyền động secvo , nếu momen điều hòa răng cỡ 2% momen định mức thì có thể coi là chấp nhận được. Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các momen 5 điều hòa răng trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từbộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vịtrí của động cơ.

Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển , trên stattor có các răng , ngày nay ta có thể chế tạo stato không răng. Trong trường hợp này dây quấn stato được chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong stato. Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở chế độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng được không gian hơn cho dây quấn statto nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy. Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hởnên phải chế tạo roto có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều kiểu roto khác nhau. Dưới đây là 3 kiểu thường gặp trong thực tế: Hình 1.4 Các kiểu rotor máy điện đồng bộ cực ẩn 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ PMSM PMSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu do đó hoạt động của nó như sau: khi cấp 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện từtrường quay với tốc độ n tt = 60f/p, trong đó f- tần số biến thiên của dòng điện, p – số đôi cực. Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình của mô men này có giá trị 0.

Để máy điện có thểlàm việc được phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ bằng tốc độ từ 6 trường, lúc này mô men trung bình của động cơ sẽ khác 0. Việc đưa nam châm vĩnh cửu tới tốc độ từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thường mà ta đã nghiên cứu trước đây. Do đó khởi động bằng máy lai ngoài, phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên rất ít khi sử dụng. Phương pháp hay dùng nhất đó là phương pháp khởi động dị bộ.

Lúc này mới đặt tải lên động cơ. Như vậy máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm quay đồng bộ với từ trường quay, hoặc quay với tốc độ đồng bộ. TÍNH CHẤT CỦA ĐỘNG CƠ PMSM 1. Mô hình toán của PMSM.

Stator của động cơ đồng bộ có cuộn dây kích từ ở rotor giống nhau. Nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong PMSM là biến thể của đất hiếm hiện đại với điện trở suất lớn nên dòng cảm ứng rotor có thể bỏ qua. Hơn nữa không có sự khác biệt sức phản điện động cảm ứng bởi nam châm vĩnh cửu và sức điện động cảm ứng bởi từ trường do dòng kích từ tạo ra. Vì vậy mô hình toán của PMSM giống như của loại động cơ đồng bộ thường có cuộn kích từ ởrotor.