Tìm hiểu chế độ sensorless trong động cơ BLDC

Tìm hiểu về chẻ độ sensorless, phương pháp hiệu quả trong điều khiển động cơ mà không cần cảm biến, mang lại nhiều lợi ích cho ứng dụng công nghiệp.

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Tìm Hiểu Chế Độ Sensorless Trong Động Cơ BLDC
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Danh mục hình vẽ
• Danh mục các từ viết tắt
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC
• 3. CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CHẾ ĐỘ SENSORLESS
• 4. CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 5. CHƯƠNG 5: MCU PIC18F4431
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC CHO ĐỘNG CƠ BLDC
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tìm hiểu chế độ sensorless trong động cơ BLDC

Chế độ sensorless trong động cơ BLDC (Brushless Direct Current) đang trở thành một xu hướng quan trọng trong công nghệ điều khiển động cơ. Chế độ này cho phép động cơ hoạt động mà không cần cảm biến vị trí, giúp giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Việc hiểu rõ về chế độ sensorless sẽ giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu phát triển các ứng dụng hiệu quả hơn trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển động cơ.

1.1. Nguyên lý hoạt động của chế độ sensorless

Chế độ sensorless hoạt động dựa trên việc sử dụng sức phản điện (EMF) để xác định vị trí rotor. Khi động cơ quay, sức phản điện được tạo ra trong các cuộn dây, từ đó giúp xác định thời điểm chuyển mạch điện áp cho các pha của động cơ.

1.2. Lợi ích của chế độ sensorless trong động cơ BLDC

Chế độ sensorless mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí sản xuất, tăng độ tin cậy và giảm kích thước của động cơ. Không cần cảm biến giúp giảm thiểu các linh kiện dễ hư hỏng và tăng khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.

II. Vấn đề và thách thức trong chế độ sensorless

Mặc dù chế độ sensorless có nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Việc xác định chính xác vị trí rotor mà không có cảm biến là một trong những vấn đề lớn nhất. Điều này có thể dẫn đến hiệu suất không ổn định trong một số điều kiện hoạt động.

2.1. Khó khăn trong việc xác định vị trí rotor

Việc xác định vị trí rotor trong chế độ sensorless phụ thuộc vào sức phản điện, điều này có thể gây khó khăn trong các tình huống tải nặng hoặc khi động cơ khởi động từ trạng thái dừng.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu và biến đổi điện áp

Nhiễu điện và biến đổi điện áp có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của việc xác định vị trí rotor. Điều này có thể dẫn đến việc chuyển mạch không chính xác, gây ra sự giảm hiệu suất và tăng nhiệt độ động cơ.

III. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC sensorless

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ BLDC trong chế độ sensorless. Các phương pháp này thường sử dụng các thuật toán phức tạp để ước lượng vị trí rotor dựa trên các thông số như dòng điện và điện áp.

3.1. Sử dụng sức phản điện để xác định vị trí

Phương pháp này sử dụng sức phản điện từ cuộn dây để xác định điểm 'zero', từ đó điều khiển chuyển mạch điện áp cho các pha của động cơ. Đây là phương pháp phổ biến nhất trong chế độ sensorless.

3.2. Ước lượng vị trí bằng thông số động cơ

Phương pháp này yêu cầu sử dụng các chip xử lý tín hiệu (DSP) để thực hiện các phép toán phức tạp nhằm ước lượng vị trí rotor dựa trên các thông số như dòng điện và điện áp. Mặc dù chính xác hơn, nhưng chi phí cao hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của động cơ BLDC sensorless

Động cơ BLDC trong chế độ sensorless được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô điện, robot tự động, và thiết bị gia dụng. Những ứng dụng này tận dụng lợi ích của chế độ sensorless để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí.

4.1. Ứng dụng trong ô tô điện

Trong ô tô điện, động cơ BLDC sensorless giúp giảm trọng lượng và chi phí, đồng thời cải thiện hiệu suất năng lượng. Việc không sử dụng cảm biến cũng giúp tăng độ tin cậy trong các điều kiện khắc nghiệt.

4.2. Ứng dụng trong robot tự động

Động cơ BLDC sensorless được sử dụng trong robot tự động để cải thiện khả năng điều khiển và độ chính xác. Việc loại bỏ cảm biến giúp giảm kích thước và trọng lượng của robot.

V. Kết luận và tương lai của chế độ sensorless

Chế độ sensorless trong động cơ BLDC đang ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào những lợi ích mà nó mang lại. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với những cải tiến trong thuật toán điều khiển và công nghệ cảm biến.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ sensorless

Công nghệ sensorless sẽ tiếp tục được cải tiến với sự phát triển của các thuật toán điều khiển thông minh, giúp tăng cường độ chính xác và hiệu suất của động cơ BLDC.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của chế độ sensorless sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các lĩnh vực tự động hóa và sản xuất, nơi mà hiệu suất và độ tin cậy là rất quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 đã giới thiệu, có thể mô hình hóa động cơ BLDC tương tư như động cơ DC bình thường. Nên có thể áp dụng luật điều khiển PID khi điều khiển tốc độ động cơ BLDC. 19 Chương 4: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chương 4: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 4. Bộ điều khiển gồm tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) thường liên quan tới bộ ba thông số điều khiển.

Hiện tại, bộ điều khiển này là 1 trong những bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp. Trong 1 bộ điều khiển PID, giá trị được tạo ra từ thông số tỉ lệ đến sai số, 1 thông số trong đó là tích phân sai số, và 1 thông số là vi phân sai số.  Khâu tỉ lệ: sai số được nhân với độ lợi Kp. Độ lợi quá cao có thể làm cho hệ thống không ổn định và độ lợi quá thấp lại làm hệ thống bị trôi.

 Khâu tích phân: việc tích phân sai số là lấy và nhân cho độ lợi Ki. Độ lợi có thể điều chỉnh để lỗi về “0” trong thời gian yêu cầu. Độ lợi quá cao gây ra dao động cho hệ thống và độ lợi quá thấp thì kết quả là sự đáp ứng chậm.  Khâu vi phân: vi phân sai số là nhân với độ lợi Kd.

Như trên, nếu độ lợi quá cao thì hệ thống sẽ dao động còn nếu quá thấp thì gây ra đáp ứng chậm của hệ thống. Hình 17: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID cổ điển liên tục theo thời gian Việc dò thông số điều khiển bao gồm việc điều chỉnh bảng gồm ba thông số Kp, Kd, Ki để nhận được đáp ứng của nhà sản xuất đưa ra. Đặc tính của bộ điều khiển PID rất nổi tiếng và bộ điều khiển mới nhất cũng dựa vào dạng điều khiển PID. Mối liên hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của bộ điều khiển PID có thể biểu diễn như sau: 20 Chương 4: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Tín hiệu u(t) ở ngõ ra từ bộ điều khiển và e(t)=r(t)-y(t), trong đó r(t) là giá trị đặt mong muốn và y(t) là ngõ ra của thiết bị.

Ti và Td được biết đến theo thứ tự như là thời gian hoạt động tích phân và vi phân. Biểu thức trên có thể viết lại là: Với: Biến đổi Laplace, có thể viết lại biểu thức chuyển đổi của bộ điều khiển PID liên tục theo thời gian là: Thực hiện đầy đủ bộ điều khiển PID có sử dụng máy tính số để chuyển đổi từ liên tục sang rời rạc. Sau đây là vài phương pháp thực hiện việc đó và đơn giản nhất là sử dụng phép xấp xỉ hình thang cho khâu tích phân và cái khác biệt của phép xấp xỉ ngược cho khâu vi phân Biểu thức trở thành: (1) Bộ điều khiển PID từ công thức trên là dạng phù hợp, đầy đủ cho cả máy tính số. Dạng bộ điều khiển PID này cũng được biết như là bộ điều khiển PID vị trí.

Chú ý hoạt động điều khiển mới này đầy đủ ở mọi thời gian lấy mẫu. 21 Chương 4: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Dạng rời rạc hoá của bộ điều khiển PID cũng có thể được chuyển hoá bằng cách biến đổi z phương trình: Thành: Mở rộng phương trình vừa biến, ta có: (2) Dạng này của bộ điều khiển PID được biết như là bộ điều khiển PID tốc độ. Ở đây hoạt động điều khiển đang diễn ra thường sử dụng giá trị điều khiển trước như là một sự liên quan. Bởi vì chỉ một sự thay đổi trong điều khiển được sử dụng, dạng này của bộ điều khiển PID cung cấp sự điều khiển tăng giảm mượt mà khi sai số nhỏ.

Nếu sai số lớn tồn tại, đáp ứng của bộ điều khiển PID tốc độ có thể chậm, đặc biệt nếu thời gian của hoạt động tích phân Ti lớn. Hai dạng của thuật toán PID trên trông có vẻ khá khác nhau, nhưng chúng thực sự tương tự nhau. Nghĩ về bộ điều khiển vị trí Thay thế lấy mẫu tích phân, chúng ta được: (3) Lấy (1) – (3) , chúng ta thu được dạng điều khiển tốc độ đã được được đưa ra phương trình (2 ) 22 Chương 4: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 4. Việc điều chỉnh PID Khi một bộ điều khiển PID được sử dụng trong một hệ thống, việc quan trọng nhất là dò để bộ điều khiển cho ra đáp ứng mong muốn.

Việc điều chỉnh một bộ điều khiển PID bao gồm việc lựa chọn các giá trị cho bảng thông số Kp, Ti, Td. 23 Chương 5: MCU PIC18F4431 Chương 5: MCU PIC18F4431 Vi điều khiển PIC là một họ vi điều khiển do tập đoàn Microchip sản xuất. Hiện nay PIC được sử dụng rộng rãi trong giáo dục, trong các ứng dụng thương mại và cả trong công nghiệp. Họ này có hơn 140 loại khác nhau từ 4 chân với bộ nhớ 0.5KB cho tới 80 chân với bộ nhớ 32KB.

Sau đây là PIC18F4431 được sử dụng trong mạch điều khiển: Hình 18: Sơ đồ chân của PIC18F4431 5. Module điều khiển PWM 14 bit  4 kênh đôi với ngõ ra bù.  Hổ trợ thao tác cạnh hoặc mức.  Ngõ vào bảo vệ lỗi phần cứng.

 Cập nhận đồng thời chu kỳ nhiệm vụ và chu kỳ.  Linh hoạt với ngõ ra kích khởi sự kiện. 24 Chương 5: MCU PIC18F4431 5. Module motion feedback.

 Ba kênh chốt/bắt giữ ngõ vào riêng biệt.  Chế độ vận hành linh hoạt cho các ứng dụng đo chu kỳ và độ rộng xung.  Module giao diện cảm biến Hall.  Tính năng kích khởi sự kiện đến các module khác.

 Giao diện Quadrature encoder.  Hai ngõ vào pha và một ngõ vào index từ encoder: o Cho phép theo dõi mức cao/thấp, trạng thái chiều và thay đổi hướng ngắt. o Phép đo vận tốc. Bộ chuyển đổi ADC 10 bit 200ksps, tốc độ cao.

 9 kênh ngõ vào.  Lấy mẫu đồng thời 2 kênh ngõ vào.  Lấy mẫu tuần tự 1,2 hoặc 4 kênh.  Khả năng chuyển đổi tự động.

 A4 word FIFO cho phép lựa chọn tần số ngắt.  Sự lựa chọn kích khởi từ bên ngoài.  Thời gian nhận lập trình được. Cấu trúc bộ dao động linh hoạt.

 4 kiểu dao động tinh thể đến 40Mhz.  2 module xung clock ngoài đến 40Mhz.  Khối dao động nội. o Cho phép người sử dụng lựa chọn 8 tần số từ 31Khz đến 8Mhz.

o OSCTUNE có thể bù sự trôi tần số.  Nguồn dao động phụ sử dụng cho Timer 1 tần số 31Khz.  Dò và tự phục hồi xung clock: tắt nguồn của thiết bị nếu xung clock bị lỗi.  Chế độ quản lý nguồn: o Run: CPU on, ngoại vi on.

o Idle: CPU off, ngoại vi on. o Sleep: CPU off, ngoại vi off. o Bộ dao động hai tốc độ khởi động 5. Những điểm mạnh của ngoại vi.

 Dòng ngõ ra cao 25mA.  Ba ngõ vào ngắt ngoài.  Hai module bắt giữ, so sánh, điều biến độ rộng xung. o Chế độ capture 16 bit, độ phân giải tối đa 6.

25 Chương 5: MCU PIC18F4431 o Chế độ compare 16 bit, độ phân giải tối đa 100 ns.  Ngõ ra PWM, PWM độ phân giải từ 1 đến 10 bit.  Bổ sung module USART.  Hỗ trợ RS_485, RS_232 và LIN 1.2  Tự động thức dậy trên bit start.

 Chế độ dò tự động.  RS_232 hoạt động dùng xung clock nội.  Tăng cường bộ nhớ chương trình Flash với 100.000 chu kỳ đọc ghi.  Bộ nhớ dữ liệu EEPROM với 1.000 chu kỳ đọc ghi.

 Bộ nhớ Flash và dữ liệu EEPROM duy trì trong 100 năm.  Tự lập trình được với phần mềm điều khiển.  Chế độ ngắt mức ưu tiên.  Mở rộng Timer Watchdog: chu kỳ lập trình được từ 41ms đến 131s.

 Lập trình tuần tự sử dụng nguồn đơn trên mạch. Cấu hình các bộ dao động. PIC 18F4431 có thể hoạt động trong 10 chế độ dao động khác nhau. Người sử dụng có thể lập trình cấu hình các bit F0SC3:F0SC0 trong thanh ghi cấu hình 1H để lựa chọn 1 trong 10 chế độ.

 LX Dao động tinh thể nguồn thấp.  XT Tinh thể/bộ cộng hưởng.  HS Tinh thể/bộ cộng hưởng tốc độ cao.  HSPLL Tinh thể/bộ cộng hưởng tốc độ cao với cho phep PLL  RC Dao động tụ điện/điện trở bên ngoài với Fosc/4 ngõ ra trên chân RA6.

 RCIO Dao động tụ điện/điện trở bên ngoài với I/O trên chân RA6.  INTIO1:Bộ dao động nội với Fosc/4 ngõ ra trên chân RA6 và I/O trên chân RA7.  INTIO2: Bộ dao động nội với Fosc/4 ngõ ra trên chân RA6 và RA7.  EC: Xung clock bên ngoài với ngõ ra Fosc/4.

 ECIO: Xung clock bên ngoài với I/O trên RA6. Bộ dao động tinh thể/cộng hưởng gốm. Trong các chế độ dao động XT, LP, HS hoặc HSPLL một tinh thể hoặc bộ cộng hưởng gốm được kết nối vào chân OSC1 và OSC2 để thiết lập dao động. 26 Chương 5: MCU PIC18F4431 Hình 19: Cấu hình XT, LP, HS và HSPLL Hình 20: Gía trị tụ điện cho bộ cộng hưởng gốm Hình 21: Giá trị tụ điện cho bộ dao động tinh thể 5.

Khối dao động nội. PIC18F4431 có sẵn một khối dao động nội, nó tạo ra hai tín hiệu clock khác nhau có thể sử dụng như một nguồn xung clock hệ thống. Khối này cho phép loại bỏ các bộ dao động bên ngoài trên chân OSC1 và/hoặc OSC2. Ngõ ra chính (INTOSC) là một nguồn xung clock 8MHz có thể sử dụng trực tiếp để cung cấp cho xung clock của hệ thống.

Nếu sử dụng bộ chia nó có thể cung cấp một dãy tần số từ 125KHz đến 4MHz để lựa chọn. Ngõ ra INTOSC sẽ được cho phép khi tần số xung clock của hệ thống từ 125KHz đến 8MHz được lựa chọn. Ngoài ra còn có một nguồn dao động nội RC (INTRC) cung cấp tần số 31KHz. Dao động INTRC được cho phép bởi việc lựa chọn 27 Chương 5: MCU PIC18F4431 khối dao động nội như là một nguồn xung clock hệ thống hoặc theo sau bất kì một cho phép:  Power_up Timer.

 Fail_safe Clock Monitor.  Two_speed Start_up. PIC 18F4431 có 40 chân gồm 5 ports I/O. Trong đó có một số chân đa công dụng, mội chân có thể hoạt động như một đường xuất nhập I/O hoặc là một chân chức năng đặc biệt dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.

Mỗi port có 3 thanh ghi điều khiển: PORTA, TRISA và thanh ghi LATA. Port A gồm 8 chân từ RA0-RA7, việc ghi các giá trị vào thanh ghi TRISA sẽ quy định các chân của Port A là Input hay Output. Nếu 0 là Output, 1 là input. Việc đọc thanh ghi Port A sẽ đọc trạng thái các chân của PortA.

Việc ghi giá trị vào thanh ghi PortA sẽ thay đổi trạng thái của các chân PortA.