Thiết kế bộ điều khiển nowrowrron pid cho hệ băng tải động cơ một chiều không chổi than luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Luận văn thạc sĩ trình bày thiết kế bộ điều khiển PID Nowrowrron cho hệ băng tải động cơ một chiều không chổi than, ứng dụng hiệu quả trong kỹ thuật điều khiển.

• Tác giả: Phạm Thị Lụa
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Lương Miên
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển nơron-PID cho hệ băng tải động cơ một chiều không chổi than
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỆ BĂNG TẢI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
• 1.1. Đặc điểm và nguyên lý làm việc của động cơ một chiều không chổi than
• 1.2. Ưu điểm của động cơ BLDC
• 1.3. Nguyên lý hoạt động
• 1.4. Một số đặc điểm về điện của động cơ BLDC
• 1.5. Phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than
• 1.5.1. Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall- 6 bước
• 1.5.2. Điều khiển động cơ BLDC bằng cách điều chỉnh điện áp ngõ vào
• 1.5.3. Điều khiển bằng phương pháp PWM
• 1.5.4. Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến
• 1.6. Tổng quan về một số hệ băng tải sử dụng động cơ BLDC
• 1.7. Đề xuất nội dung nghiên cứu của luận văn
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MẠNG NƠRON
• 2.1. Bộ điều khiển PID. Ứng dụng mạng nơron trong hệ thống điều khiển
• 2.2. Mạng nơron nhân tạo
• 2.3. Cấu trúc cơ bản của một nơron
• 2.4. Mạng truyền thẳng
• 2.5. Mạng hồi quy
• 2.6. Mạng hàm cơ sở xuyên tâm
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠRON-PID CHO HỆ BĂNG TẢI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
• 3.1. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ băng tải
• 3.2. Xây dựng mô hình toán của động cơ BLDC
• 3.2.1. Mô hình toán học của động cơ BLDC
• 3.2.2. Momen điện từ của động cơ BLDC
• 3.2.3. Phương trình động học của động cơ BLDC
• 3.2.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC
• 3.3. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ, bộ điều khiển dòng điện cho mô hình 1 pha của động cơ BLDC
• 3.3.1. Mô hình 1 pha của động cơ BLDC
• 3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ, dòng điện cho mô hình 1 pha động cơ BLDC
• 3.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ cho mô hình 1 pha động cơ BLDC
• 3.5. Xây dựng sơ đồ khối mô phỏng động cơ BLDC 3 pha trên Matlab
• 3.5.1. Mô hình hóa động cơ BLDC 3 pha trên Matlab
• 3.5.2. Mô hình hóa bộ chuyển mạch điện tử cho BLDC 3 pha trên Matlab
• 3.5.3. Mô hình khối điều khiển động cơ BLDC 3 pha trên Matlab
• 3.5.4. Mô hình hệ thống điều khiển động cơ BLDC 3 pha trên Matlab
• 3.6. Thiết kế bộ điều khiển nơron-PID cho vòng điều chỉnh tốc độ của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC 3 pha
• 3.7. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ băng tải và động cơ một chiều không chổi than

Chương này giới thiệu tổng quan về hệ băng tải sử dụng động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Động cơ BLDC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp nhờ ưu điểm về hiệu suất cao, độ bền và khả năng điều khiển chính xác. Hệ băng tải đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất, đặc biệt khi yêu cầu về độ chính xác và ổn định cao. Động cơ BLDC không sử dụng chổi than, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ hệ thống. Chương này cũng đề cập đến nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các phương pháp điều khiển động cơ BLDC, bao gồm điều khiển bằng cảm biến Hall và phương pháp không cảm biến.

1.1. Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

Động cơ BLDC hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện stator. Động cơ BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor và cuộn dây trên stator, tạo ra momen quay nhờ sự chuyển mạch dòng điện giữa các pha. Cảm biến Hall được sử dụng để xác định vị trí rotor, đảm bảo dòng điện được cấp đúng thời điểm và pha. Điều này giúp động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

1.2. Ưu điểm của động cơ BLDC trong hệ băng tải

Động cơ BLDC mang lại nhiều ưu điểm khi sử dụng trong hệ băng tải, bao gồm hiệu suất cao, khả năng điều khiển chính xác và độ bền cao. Động cơ không sử dụng chổi than, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ hệ thống. Ngoài ra, động cơ BLDC có khả năng hoạt động ổn định trong dải tốc độ rộng, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao.

II. Khái quát về bộ điều khiển PID và mạng nơron

Chương này tập trung vào việc giới thiệu bộ điều khiển PID và mạng nơron, hai công cụ quan trọng trong kỹ thuật điều khiển. Bộ điều khiển PID là một phương pháp điều khiển phổ biến, sử dụng ba thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân để điều chỉnh hệ thống. Mạng nơron là một mô hình tính toán lấy cảm hứng từ hệ thống thần kinh sinh học, có khả năng học và thích nghi với các điều kiện khác nhau. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID và mạng nơron tạo ra bộ điều khiển nơron-PID, mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp như hệ băng tải.

2.1. Bộ điều khiển PID và ứng dụng

Bộ điều khiển PID là một công cụ điều khiển phổ biến, sử dụng ba thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân để điều chỉnh hệ thống. Trong hệ băng tải, bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID truyền thống có thể gặp khó khăn khi hệ thống có nhiều biến động hoặc yêu cầu độ chính xác cao.

2.2. Mạng nơron và khả năng thích ứng

Mạng nơron là một mô hình tính toán lấy cảm hứng từ hệ thống thần kinh sinh học, có khả năng học và thích nghi với các điều kiện khác nhau. Trong kỹ thuật điều khiển, mạng nơron được sử dụng để cải thiện hiệu suất của các bộ điều khiển truyền thống. Sự kết hợp giữa mạng nơron và bộ điều khiển PID tạo ra bộ điều khiển nơron-PID, mang lại khả năng thích ứng cao và hiệu quả trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp.

III. Thiết kế bộ điều khiển nơron PID cho hệ băng tải

Chương này trình bày chi tiết quá trình thiết kế bộ điều khiển nơron-PID cho hệ băng tải sử dụng động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Mục tiêu của nghiên cứu là nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ băng tải, đảm bảo hệ thống bám sát quỹ đạo tốc độ đặt khi tải thay đổi. Quá trình thiết kế bao gồm việc xây dựng mô hình toán học của động cơ BLDC, thiết kế bộ điều khiển PID và nơron-PID, và mô phỏng hệ thống trên Matlab. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển nơron-PID mang lại hiệu quả cao hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống.

3.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ BLDC

Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình toán học của động cơ BLDC, bao gồm các phương trình mô tả momen điện từ, phương trình động học và đặc tính cơ của động cơ. Mô hình toán học này là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống. Việc xây dựng mô hình chính xác giúp đảm bảo hiệu quả của các bộ điều khiển trong quá trình điều khiển thực tế.

3.2. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển nơron PID

Sau khi xây dựng mô hình toán học, quá trình thiết kế bộ điều khiển nơron-PID được thực hiện. Bộ điều khiển này kết hợp ưu điểm của bộ điều khiển PID và mạng nơron, mang lại khả năng thích ứng cao và hiệu quả trong việc điều khiển tốc độ băng tải. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển nơron-PID đạt được chất lượng điều khiển tốt hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống, đặc biệt khi tải thay đổi.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và xu thế cách mạng công nghiệp 4.0, tự động hóa các quá trình sản xuất đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và cải thiện điều kiện lao động. Hệ thống băng tải là một thành phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp như sản xuất giấy, thuốc, bia rượu, nước giải khát và linh kiện điện tử. Theo ước tính, việc sử dụng động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor - BLDC) trong các hệ băng tải giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác điều khiển so với động cơ xoay chiều không đồng bộ truyền thống.

Tuy nhiên, BLDC vẫn gặp khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu điều khiển khi mômen tải thay đổi lớn, ảnh hưởng đến chất lượng vận hành của hệ thống băng tải. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển nơron-PID cho hệ băng tải sử dụng động cơ BLDC nhằm nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ bám theo quỹ đạo đặt khi tải thay đổi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ băng tải BLDC trong môi trường Matlab-Simulink, với dữ liệu thực tế từ các hệ băng tải công nghiệp tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí đầu tư và vận hành, tăng độ bền động cơ, đồng thời đảm bảo an toàn và hiệu quả sản xuất. Việc áp dụng bộ điều khiển nơron-PID kết hợp ưu điểm của bộ PID truyền thống và mạng nơron nhân tạo hứa hẹn cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển trong các hệ thống băng tải công nghiệp hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: bộ điều khiển PID và mạng nơron nhân tạo.

• Bộ điều khiển PID là hệ thống điều khiển phản hồi phổ biến trong công nghiệp, gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). Bộ PID giúp giảm sai số, tăng tốc độ đáp ứng và ổn định hệ thống. Các tham số KP, KI, KD được điều chỉnh theo phương pháp Ziegler-Nichols để đạt hiệu quả tối ưu.

• Mạng nơron nhân tạo (NN) mô phỏng cấu trúc và chức năng của bộ não con người, có khả năng học và thích nghi với các dữ liệu phức tạp. Các mô hình mạng nơron được sử dụng gồm mạng truyền thẳng nhiều lớp, mạng hồi quy toàn phần và mạng hàm cơ sở xuyên tâm (RBF). Mạng RBF được ưu tiên do tốc độ hội tụ nhanh và ít rơi vào cực tiểu cục bộ.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là: mô hình toán học động cơ BLDC, bộ điều khiển PID và mạng nơron nhân tạo. Bộ điều khiển nơron-PID kết hợp ưu điểm của PID và mạng nơron để cải thiện khả năng điều khiển trong điều kiện tải thay đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế và nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng trên Matlab-Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các hệ băng tải BLDC tiêu biểu trong công nghiệp, với dữ liệu kỹ thuật động cơ BLDC 3 pha công suất 30 kW, điện áp 640 V, dòng định mức 72 A, tốc độ định mức 1150 vòng/phút.

Phương pháp phân tích bao gồm xây dựng mô hình toán học động cơ BLDC, thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển nơron-PID, sau đó mô phỏng đáp ứng hệ thống dưới các điều kiện tải thay đổi. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, tập trung tại Đại học Giao thông Vận tải và các trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Các bước chính gồm: khảo sát đặc điểm động cơ BLDC và hệ băng tải, xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và đánh giá hiệu quả điều khiển dựa trên các chỉ số như sai số tốc độ, thời gian quá độ và độ ổn định.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công bộ điều khiển PID và nơron-PID cho hệ băng tải BLDC: Bộ điều khiển nơron-PID cho phép điều khiển tốc độ băng tải bám sát quỹ đạo đặt khi mômen tải thay đổi, với sai số tốc độ giảm khoảng 30% so với bộ PID truyền thống.

2. Mô phỏng trên Matlab cho thấy đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC 3 pha với bộ điều khiển nơron-PID ổn định hơn: Thời gian quá độ giảm từ khoảng 1.2 giây xuống còn 0.8 giây, đồng thời sai số ổn định giảm từ 2% xuống dưới 1%.

3. Đặc tính dòng điện và mômen điện từ được cải thiện: Bộ điều khiển nơron-PID giúp duy trì dòng điện pha ổn định hơn, giảm dao động mômen điện từ khoảng 15%, góp phần tăng tuổi thọ động cơ và giảm hao mòn cơ khí.

4. Khả năng thích ứng với thay đổi tải: Khi mômen tải thay đổi đột ngột, bộ điều khiển nơron-PID duy trì tốc độ băng tải ổn định trong khi bộ PID truyền thống có hiện tượng trễ và dao động lớn hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do mạng nơron nhân tạo có khả năng học và điều chỉnh tham số PID theo thời gian thực, giúp hệ thống thích nghi nhanh với các biến đổi tải. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ PID, việc kết hợp mạng nơron giúp giảm sai số và tăng độ ổn định đáng kể.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng tốc độ theo thời gian, biểu đồ sai số tốc độ và biểu đồ dòng điện pha, giúp trực quan hóa hiệu quả của bộ điều khiển nơron-PID. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong ứng dụng thực tế.

Ngoài ra, việc sử dụng bộ điều khiển nơron-PID còn giúp giảm chi phí bảo trì do giảm dao động mômen và dòng điện, đồng thời tăng tuổi thọ thiết bị. Kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển tự động hóa trong công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao như băng tải trong sản xuất linh kiện điện tử.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển nơron-PID trong các hệ băng tải công nghiệp: Các nhà máy nên áp dụng bộ điều khiển này để nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ, giảm sai số và tăng độ bền thiết bị. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật có thể tích hợp trực tiếp trên vi điều khiển hiện có.

2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về nguyên lý hoạt động và bảo trì bộ điều khiển nơron-PID nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian đào tạo khoảng 3 tháng, do phòng đào tạo kỹ thuật hoặc các trung tâm chuyên ngành thực hiện.

3. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và giám sát: Phát triển phần mềm giám sát trực tuyến để theo dõi hiệu suất bộ điều khiển và điều chỉnh tham số tự động khi có biến đổi tải. Chủ thể thực hiện là bộ phận công nghệ thông tin và kỹ thuật tự động hóa, với timeline 9 tháng.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại động cơ khác: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục áp dụng bộ điều khiển nơron-PID cho các loại động cơ khác trong công nghiệp như động cơ AC không đồng bộ hoặc động cơ servo để đa dạng hóa ứng dụng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nghiên cứu và áp dụng bộ điều khiển nơron-PID trong thiết kế hệ thống điều khiển băng tải và các hệ truyền động công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả vận hành.

2. Nhà quản lý sản xuất: Hiểu rõ về công nghệ điều khiển hiện đại để đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm chi phí bảo trì và tăng năng suất dây chuyền sản xuất.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về điều khiển PID, mạng nơron nhân tạo và ứng dụng trong động cơ BLDC.

4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ tự động hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình thực nghiệm để phát triển các giải pháp điều khiển thông minh, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển nơron-PID khác gì so với bộ PID truyền thống?
   Bộ điều khiển nơron-PID kết hợp mạng nơron nhân tạo để tự động điều chỉnh tham số PID theo điều kiện thực tế, giúp cải thiện độ ổn định và giảm sai số so với bộ PID cố định.

2. Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
   Nghiên cứu sử dụng Matlab-Simulink để mô phỏng mô hình toán học động cơ BLDC và hệ thống điều khiển, cho phép đánh giá hiệu quả bộ điều khiển trong các điều kiện tải thay đổi.

3. Bộ điều khiển nơron-PID có thể áp dụng cho các loại động cơ khác không?
   Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh mô hình và thuật toán phù hợp với đặc tính của từng loại động cơ như động cơ AC không đồng bộ hoặc servo.

4. Làm thế nào để triển khai bộ điều khiển này trong thực tế?
   Có thể tích hợp bộ điều khiển nơron-PID trên vi điều khiển hoặc PLC hiện có, kết hợp với cảm biến tốc độ và dòng điện để thực hiện điều khiển chính xác.

5. Bộ điều khiển nơron-PID có giúp giảm chi phí bảo trì không?
   Có, nhờ giảm dao động mômen và dòng điện, bộ điều khiển giúp tăng tuổi thọ động cơ và giảm hao mòn cơ khí, từ đó giảm chi phí bảo trì và thay thế thiết bị.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học và thiết kế bộ điều khiển nơron-PID cho hệ băng tải sử dụng động cơ BLDC 3 pha công suất 30 kW.
• Bộ điều khiển nơron-PID cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển tốc độ, giảm sai số và thời gian quá độ so với bộ PID truyền thống.
• Mô phỏng trên Matlab chứng minh khả năng thích ứng tốt với biến đổi mômen tải, duy trì tốc độ ổn định và giảm dao động dòng điện.
• Đề xuất triển khai bộ điều khiển nơron-PID trong các hệ băng tải công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí vận hành.
• Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng bộ điều khiển nơron-PID cho các loại động cơ và hệ thống tự động hóa khác trong tương lai.

Để tiếp tục phát triển, các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì bộ điều khiển nơron-PID. Hành động ngay hôm nay sẽ giúp nâng cao năng lực cạnh tranh và hiện đại hóa công nghiệp Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ HỆ BĂNG TẢI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1. Đặc điểm và nguyên lý làm việc của động cơ một chiều không chổi than. Động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC motor) ra đời nhằm tận dụng các ưu điểm về hiệu suất cao, đặc tính cơ “cứng” và khắc phục cácnhược điểm của động cơ điện một chiều: loại bỏ cổ góp chổi than, và thay thế bằng bộ chuyển mạch điện tử (dùng van bán dẫn transitor, MOSFET, GTO, IGBT). Động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC cấp cho các pha dây quấn phần ứng stator.

Cấu tạo của BLDC khá giống với động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (PMSM). Cấu tạo điển hình của BLDC 3 pha như hình 1.1, gồm: stator, rotor, cảm biến Hall vị trí rotor, bộ chuyển mạch điện tử [10], [11]. Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC -4- + Stator: + Rotor: + Cảm biến Hall vị trí rotor: + Bộ chuyển mạch điện tử: Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 điện trong không gian của stator. Các thanh nam châm được dán chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ.

Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí rotor để cho động cơ hoạt động. Nguyên tắc điều khiển động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển tốc độ động cơ BLDC [9-12]. Nguyên tắc làm việc của cảm biến Hall trong động cơ BLDC -5- 1.

Ưu điểm của động cơ BLDC Động cơ BLDC có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: Máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn. Động cơ BLDC không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor. Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động: Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.

Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác). Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không. Vận hành ở tốc độ cao.

Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. Hiệu suất cao. Kết cấu gọn.2 Nguyên lý hoạt động Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định [9],[12]. Momen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm rotor tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra.

Xu hướng của rotor là quay đến vị trí sao cho hai vector từ trường tổng trùng nhau. Momen quay đạt giá trị lớn nhất khi hai từ trường vuông góc. Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây kia sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rotor quay theo. Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của rotor.

-6- Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao cho momen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch momen do quá trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất. Ta có momen được xác định bằng công thức [10], [12]: T = (e i + e i + e i )/ω (1.1) Trong đó: , , : sức điện động cảm ứng của pha A, B, C [V] , , : dòng điện các pha A, B, C [A] : vận tốc góc của trục rotor [rad/s] Để đạt được yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt được biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì dòng điện sẽ có giá trị lớn hơn và gây tổn hao trên stator. Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp sức điện động cảm ứng pha được gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến.

Do mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rotor nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây còn có thể thực hiện được bằng việc xác định vị trí của rotor nhờ các cảm biến vị trí. -7- Trong động cơ BLDC sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall). Hiệu ứng Hall được E.Hall tìm ra năm 1879 và được mô tả như sau: Khi một dây dẫn điện đặt trong từ trường, từ trường sẽ tác động một lực lên các điện tích đang chuyển động trong dây dẫn điện và có khuynh hướng đẩy chúng sang một bên của dây dẫn. Điều này rất dễ hình dung khi dây dẫn có dạng tấm mỏng.

Sự tích tụ các điện tích ở một bên dây dẫn làm xuất hiện điện áp giữa hai mặt dây dẫn. Điện áp này có độ lớn tỷ lệ với cường độ từ trường và cường độ dòng điện qua dây dẫn. Mô hình phần tử cảm biến Hall Động cơ BLDC có 3 cảm biến Hall được đặt trên stator. Khi các cặp của cực nam châm trên rotor chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có mức logic cao hoặc thấp, tùy thuộc vào cực nam châm là N hay S.

Dựa vào sự tổ hợp các tín hiệu logic của 3 cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha stator. Thông thường sẽ có 2 cách bố trí 3 cảm biến Hall trên stator là bố trí lệch nhau 600 hoặc 1200 trong không gia. Mỗi cách bố trí đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rotor quay. Trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện 1.

Một số đặc điểm về điện của động cơ BLDC Momen điện từ của động cơ BLDC được xác định giống như của động cơ DC có chổi than [10], [12]:: Td  CTdc .I a  K tdc I a (1-2) Trong đó : CTdc . f  K Tdc là hằng số momen. Hằng số momen được xác định theo công thức: C ( E dc ) Ctdc  (1-3) 2 -9- Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thường. Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác. Động cơ BLDC không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế đánh lửa.

Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ BLDC có thể được mở rộng hơn.6: Đường đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC Khi động cơ một chiều không chổi than quay, mỗi một cuộn dây tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây đó theo luật Lenz. Chiều của sức phản điện động này ngược chiều với điện áp cấp. Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc góc của rotor, từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu của rotor và số vòng trong mỗi cuộn dây của stator [10],[12]: EMF = E ≈ NlrB. ω (1-4) Trong đó: - N là số vòng dây trên mỗi pha.

- l là chiều dài rotor. - r là bán kính trong của rotor. - B là mật độ từ trương rotor. - ω là vận tốc góc của động cơ.

- 10 - Trong động cơ BLDC từ trường rotor và số vòng dây stator là các thông số không đổi. Chỉ có duy nhất một thông số ảnh hưởng đến sức phản điện động là vận tốc góc hay vận tốc của rotor và khi vận tốc tăng, sức phản điện động cũng tăng. Trong các tài liệu kỹ thuật của động cơ có đưa ra một thông số gọi là hằng số sức phản điện động có thể được sử dụng để ước lượng sức phản điện động ứng với tốc độ nhất định. Phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control).

Trong đó ta có hai phương pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều khiển đó là điện áp dạng sóng hình thang và dạng sóng hình sin. Cả hai phương pháp hình thang và hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và không cảm biến, trong khi phương pháp không cảm biến chỉ dùng phương pháp điện áp dạng sóng hình thang [10],[12].1 Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall- 6 bước Phương pháp này được dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ BLDC dùng tín hiệu đưa về từ cảm biến vị trí rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện vào các cuộn dây tương ứng. Giản đồ xung kích và dòng điện đóng ngắt tương ứng thể hiện ở trong biểu đồ về “tín hiệu cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha ở trên.2 Điều khiển động cơ BLDC bằng cách điều chỉnh điện áp ngõ vào Đây là phương pháp điều khiển giống với điều khiển động cơ DC thông thường. Tốc độ động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh điện áp DC cung cấp cho bộ khóa công suất.

Điện áp ngõ vào được điều chỉnh sao cho tốc độ ngõ ra bám sát theo tốc độ đặt cho hệ thống. Để thay đổi chiều quay ta thay đổi các khóa công suất sao cho dòng điện chạy qua các cuộn dây các pha - 11 - có chiều ngược lại.