3 cảm biến hall (hall sensor)

2.2.3 Cảm biến Hall (Hall sensor) Không giống Động DC, chuyển động động BLDC điều khiển điện từ tức cuộn dây Stator cấp điện nhờ chuyển mạch van bán dẫn công suất Để động làm việc, cuộn dây Stator cấp điện theo thứ tự pha Tức thời điểm khơng ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây mà phụ thuộc vào vị trí Rotor động đâu để cấp điện cho Vì điều quan trọng cần phải xác định vị trí Rotor cuộn dây Stator cấp điện theo thứ tự cấp điện Vị trí Rotor xác định cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall đặt ẩn Stator Hầu hết tất động BLDC có cảm biến Hall đặt ẩn bên Stator phần đuôi trục (trục phụ) động Mỗi cực nam châm Rotor qua khu vực gần cảm biến Hall, cảm biến gửi tín hiệu mức mức ứng với cực Bắc cực Nam qua cảm biến Dựa vào tổ hợp tín hiệu từ cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch xác xác định Tín hiệu mà cảm biến Hall nhận dựa hiệu ứng Hall có dịng điện chạy vật dẫn đặt từ trường, từ trường tạo lực nằm ngang lên điện tích di chuyển vật dẫn theo hướng đẩy chúng phía vật dẫn Số lượng điện tích bị đẩy phía cân với mức độ ảnh hưởng từ trường Điều dẫn đến xuất hiệu điện mặt vật dẫn Sự xuất hiệu điện có khả đo gọi hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm vào năm 1879 Cuộn dây Stator Cảm biến Hall Nam châm Rotor cực S Nam châm Rotor cực N Đầu trục động Nam châm phụ cảm biến Hall Hình 2.7: Động BLDC cấu trúc nằm ngang Hình 2.7 mặt cắt ngang động chiều khơng chổi than với Rotor có nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall đặt phần đứng yên động Việc đặt cảm biến Hall Stator trình phức tạp cân đối dẫn đến việc tạo sai số việc xác định vị trí Rotor Để đơn giản trình gắn cảm biến lên Stator, vài động có nam châm phụ cảm biến Hall gắn Rotor Đây phiên thu nhỏ nam châm Rotor Do đó, Rotor quay, nam châm cảm biến Rotor đem lại hiệu ứng tương tự nam châm Các cảm biến Hall thông thường gắn mạch in cố định nắp đậy động Điều cho phép người dùng điều chỉnh hồn toàn việc lắp ráp cảm biến Hall để cân chỉnh với nam châm Rotor, đem lại khả hoạt động tối đa Dựa vị trí vật lý cảm biến Hall, có cách đặt cảm biến Các cảm biến Hall đặt lệch pha góc 600 1200 tùy thuộc vào số đơi cực Dựa vào điều này, nhà sản xuất động định nghĩa chu trình chuyển mạch mà cần phải thực trình điều khiển động Các cảm biến Hall cần cấp nguồn Điện áp cấp cho cảm biến 5V yêu cầu dòng từ 5mA đến 15mA Khi thiết kế điều khiển, cần ý đến đặc điểm kỹ thuật tương ứng loại động để biết xác điện áp dòng cảm biến Hall dùng Đầu cảm biến Hall thường loại open-collector, thế, cần có điện trở treo phía board điều khiển Nếu khơng có điện trở treo tín hiệu nhận khơng phải tín hiệu xung vng mà tín hiệu nhiễu 2.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) Ở động BLDC dây quấn phần ứng bố trí Stator đứng yên nên phận đổi chiều dễ dàng thay đổi chiều điện tử sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí Rotor Do cấu trúc động BLDC cần có cảm biến vị trí Rotor Khi đổi chiều điện tử đảm bảo thay đổi chiều dòng điện dây quấn phần ứng Rotor quay giống vành góp chổi than động chiều thơng thường 2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BLDC Hình 2.8: Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây Stator Để động BLDC hoạt động cần biết xác vị trí Rotor để điều khiển q trình đóng ngắt khóa bán dẫn, cấp nguồn cho cuộn dây Stator theo trình tự hợp lý Mỗi trạng thái chuyển mạch có cuộn dây (như pha A) cấp điện dương (dòng vào cuộn dây pha A), cuộn dây thứ (pha B) cấp điện âm (dòng từ cuộn dây pha B) cuộn thứ (pha C) không cấp điện Mô-men sinh tương tác từ trường tạo cuộn dây Stator với nam châm vĩnh cửu Một cách lí tưởng, mơ-men lớn xảy từ trường lệch 900 giảm xuống chúng chuyển Để giữ động quay, từ trường tạo cuộn dây Stator phải quay đồng với từ trường Rotor góc α 2.4 CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC 2.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động cực tính) Hình 2.9: Sơ đồ ngun lí làm việc động BLDC Nguyên lí làm việc động BLDC sử dụng cảm biến quang để xác định vị trí Rotor Động điều khiển theo tín hiệu chuyển mạch nhận tín hiệu từ cảm biến Sau thứ tự chuyển mạch động BLDC sử dụng cảm biến quang Hình 2.10: Thứ tự chuyển mạch chiều quay từ trường Stator Cực bắc Rotor vị trí đối diện với cực lồi Stator, phototransitor PT1 chiếu sáng có tín hiệu đưa đến cực gốc(baze) transitor Q1 làm cho Q1 mở Ở trạng thái này, cực nam tạo thành cực lồi P1 dòng điện I1 chạy qua cuộn dây W1 hút cực bắc Rotor làm cho Rotor chuyển động theo hướng mũi tên Khi cực Bắc Rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 Stator, lúc chắn gắn trục động che PT1 PT2 chiếu sáng, Q2 mở, dòng I2 chảy qua Q2 Khi dòng điện chảy qua dây quấn W2 tạo cực nam cực lồi P2 cực bắc Rotor quay theo chiều mũi tên đến vị trí đối diện cực lồi P2 Ở thời điểm này, chắn che PT2 phototransitor PT3 chiếu sáng Lúc chiều dịng điện có chiều từ W2 sang W3 Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích cực lồi P3 lại kích hoạt tạo thành cực lồi Do cực bắc Rotor chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lại chuyển mạch theo thứ tự hình 2.9, Rotor nam châm vĩnh cữu động quay theo chiều xác định cách liên tục 2.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) Ở động chiều không chổi than, dây quấn phần ứng quấn Stator phần đứng yên nên dễ dàng thay chuyển mạch khí (trong động điện chiều thông thường dùng chổi than) chuyển mạch điện tử dùng bóng transitor cơng suất điều khiển theo vị trí tương ứng Rotor Về chất chuyển mạch hai cực tính nghịch lưu độc lập với van chuyển mạch bố trí hình 2.11 Trong van chuyển mạch van công suất, loại động cơng suất bé van chuyển mạch dùng van MOSFET cịn loại động cơng suất lớn dùng van chuyển mạch thường IGBT Để thực dẫn dòng mà khoảng thời gian mà van khơng dẫn diot mắc song song với van Để điều khiển van bán dẫn chuyển mạch điện tử, điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí Rotor quay giống vành góp chổi than động chiều thơng thường Hình 2.11: Chuyển mạch hai cực tính động BLDC 2.5 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC 2.5.1 Mô-men điện từ Mô-men điện từ động BLDC xác định giống động DC có chổi than: �� = ���� .∅�� � = ���� �� [5] (2-1) Trong : ����.∅f = ���� số mơ-men 2.5.2 Đặc tính đặc tính làm việc động BLDC Đặc tính động BLDC giống đặc tính động điện chiều thông thường Tức mối quan hệ mô-men tốc độ đường tuyến tính nên thuận tiện trình điều khiển động để truyền động cho động khác Động BLDC không dùng chổi than nên tốc độ tăng lên khơng có hạn chế đánh lửa Vì vùng điều chỉnh động BLDC mở rộng M,P W(rad /s) P M W Wdm M(N,m) (a) (b) Hình 2.12: Đặc tính động BLDC (a) đặc tính làm việc (b) đặc tính 2.5.3 Sức phản điện động Khi động chiều không chổi than quay, cuộn dây tạo điện áp gọi sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây theo luật Lenz Chiều sức điện động ngược chiều với điện áp cấp Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố: Vận tốc góc Rotor, từ trường sinh nam châm vĩnh cửu Rotor số vòng cuộn dây Stator: EMF = N.l.r.B.ω Trong đó: [6] (2-2) EMF: Sức điện động cảm ứng N :Số vòng dây pha l : Chiều dài Rotor r : Bán kính Rotor B:Mật độ từ trường Rotor ω: Vận tốc góc động Trong động BLDC từ trường Rotor số vòng dây Stator thơng số khơng đổi Chỉ có thông số ảnh hưởng đến sức phản điện động vận tốc góc hay vận tốc Rotor vận tốc tăng, sức phản điện tăng Trong tài liệu kỹ thuật động có đưa thông số gọi số phản điện động sử dụng để ước lượng sức phản điện động ứng với tốc độ định 2.6 MƠ HÌNH TỐN VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 2.6.1 Mơ hình tốn Mơ hình tốn đối tượng mối quan hệ toán học nhằm mục đích mơ tả lại đối tượng thực tế dạng biểu thức toán học để thuận lợi cho q trình phân tích, khảo sát thiết kế Đối với động cơ, mơ tả tốn học đóng vai trị quan trọng khảo sát tính tốn lý thuyết dựa mơ hình tốn Vì mơ hình tốn chìa khóa để mở vấn đề q trình tính tốn thiết kế cho động Để thực xậy dựng mơ hình tốn phải ước lượng động phần tử điện Hình 2.13 trình bày mơ hình mạch điện động bao gồm cuộn dây Stator ước lượng điện trở Ra điện cảm La, cuộn dây Stator đặt cạnh nên xảy tượng hỗ cảm cuộn dây với nhau, hỗ cảm cuộn dây thể qua đại lượng M Mặt khác Rotor động nam châm vĩnh cửu nên Rotor quay quét qua cuộn dây Stator nên có tương tác hai từ trường Các đại lượng ea, eb, ec sức phản điện động EMF Do nam châm làm từ vật liệu có suất điện trở cao nên bỏ qua dòng cảm ứng Rotor Vb Rb Lb M M eb ea La ec Lc Vc Ra Rc Va M Hình 2.13: Mơ hình mạch điện động BLDC Mơ hình tốn động BLDC biểu diễn sau [5](2-3) 2.6.2 Mô-men điện từ Mô-men điện từ động tính thơng qua công suất công suất điện Do động ma sát sinh chủ yếu trục động ổ đỡ nên lực ma sát nhỏ Thêm vào vật liệu chế tạo động loại có điện trở suất cao nên giả thiết bỏ qua tổn hao sắt, tổn hao đồng Vì vậy, cơng suất điện cấp cho động cơng suất đầu trục Biểu thức tính mơmen điện từ: Me [5](2-4) 2.6.3 Phương trình động học động BLDC Mơ-men qn tính : Jm Mô-men ma sát : Mf Mô-men tải động : Mc Mơ-men qn tính tải : Jc Vận tốc góc động : ωm Ma sát thường tỷ lệ với tốc độ biểu thông qua hệ số nhớt D theo biểu thức: Mf = D ωm [5] (2-5) Như vậy, phương trình động học tổng quát động có dạng sau: � M=(Jm [5](2-6) + Mc 2.6.4 Phương trình đặc tính BLDC Đặc tính động mối quan hệ tốc độ mô-men động Cơng suất động tích số mô-men tốc độ Tuy vậy, giá trị công suất, loại động khác mối quan hệ hai đại lượng khác Phương trình đặc tính động BLDC: � – 2.�.� ω= [7](2-7) Trong đó: V: Tốc độ K: Hệ số phản hồi e: Sức phản điện động R: Trở động M: Moment động 2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC Để điều khiển động BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng cảm biến Hall (hoặc Encoder) phương pháp điều khiển khơng cảm biến (sensorless control) Trong ta có hai phương pháp điều chế điện áp từ điều khiển dạng sóng pha hình thang phương pháp điều chế dịng điện dạng sóng pha hình sin Cả hai phương pháp hình thang hình sin sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall không cảm biến, phương pháp không cảm biến dùng phương pháp điện áp dạng sóng hình thang Điều chế điện áp Điều chế dòng điện Sức điện động Hình thang Hình sin Cấu tạo đ ộng BLDC Đ ơn giản P hức tạp Giá thành Rẻ Mắc Hoạt động Trung bình - Tốt Điều khiển Dùng PWM Dùng véc - tơ Bảng 2.2: So sánh hai phương pháp điều chế điện áp phương pháp điều chế dòng điện 2.7.1 Phương pháp điều khiển động BLDC pha Động BLDC ba pha cần có cảm biến Hall để xác định vị trí Rotor Dựa vị trí phân bố cảm biến Hall, có loại tín hiệu đầu ra: Hệ tín hiệu đầu cảm biến lệch pha 600 hệ tín hiệu đầu cảm biến lệch pha 1200 Việc kết hợp tín hiệu từ cảm biến Hall cho phép xác định xác trình tự chuyển mạch Trình tự cấp điện động BLDC pha quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Các cảm biến Hall “A”, “B”, “C”, gá Stator tương ứng lệch 1200 Dây quấn Stator động nối theo dạng hình Ứng với góc quay 600 Rotor cảm biến Hall hệ thay đổi trạng thái cần lần chuyển mạch để kết thúc chu kỳ tín hiệu Ở chế độ đồng bộ, đảo chiều dòng điện pha thực sau 600 Với bước, đầu dây quấn Stator giữ mức điện áp cao, đầu khác giữ mức điện áp thấp đầu dây thứ để treo Tuy nhiên, chu kỳ tín hiệu khơng tương ứng với vịng quay Rotor Số chu kỳ tín hiệu cần thiết để hồn tất vịng quay Rotor định số cặp cực Rotor Để hoàn thành vòng quay, cặp cực Rotor cần chu kỳ tín hiệu Vì vậy, số chu kỳ tín hiệu cần thiết để điều khiển động quay vòng số cặp cực Rotor Đặc tính sức phản điện động ba cuộn dây lệch 1200 cuộn dây Stator đặt lệch 1200 góc chuyển mạch sức điện động 600 thời gian khơng cấp dịng cho cuộn dây Stator tương ứng Căn vào dạng dòng điện pha động theo vị trí cảm biến Hall để xác định sơ đồ để mở van cho nghịch lưu Do chu kỳ có lần cảm biến Hall thay đổi vị trí nên có trạng thái mở van Hall Hall Hall Ea Eb Ec Ia Ib Ic t t t t t t t t t Hình 2.14: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động dịng điện pha B Hình 2.15: Thứ tự cấp điện cho cuộn dậy tương ứng với cảm biến Hall Bảng 2.3: Thứ tự chuyển mạch động quay [5] Đầu vào từ cảm biến Hall Thứ tự Các tính hiệu trạng thái A B C điều khiển 0 Q5 Q6 1 Q5 Q4 Q3 Q4 1 Q3 Q2 0 Q1 Q2 1 Q1 Q6 0: Khơng có tín hiệu trả từ cảm biến Hall Các dòng điện pha C(Lục) B(Xanh) A(Vàng) + NC + NC NC + + NC NC + NC + 1: Có tín hiệu trả từ cảm biến Hall + : Nguồn dương 48V - : Nguồn âm 48V NC: bất chấp tín hiệu Bảng 2.3 thứ tự chuyển mạch van dựa đầu vào từ cảm biến Hall A, B, C ứng với chiều quay động Trong cảm biến Hall đặc lệch 1200 2.7.2 Điều khiển phương pháp PWM Điều khiển tốc độ đông BLDC phương pháp điều chỉnh điện áp vào ta sử dụng phương pháp PWM để điều chỉnh tốc độ động Đây phương pháp sử dụng rộng rãi điều khiển điện áp Với phương pháp điện áp cung cấp cho khóa cơng suất khơng đổi, nhiên điện áp khỏi khóa đến động thay đổi theo thuật toán điều khiển Phương pháp PWM dùng cho khóa trên, khóa hay đồng thời hai khóa lúc Thứ tự trạng thái PWM 3H PWM 3L PWM 2H PWM 2L PWM 1H PWM 1L Hình 2.16: Giản đồ xung điều khiển PWM kênh ... chỉnh hồn tồn việc lắp ráp cảm biến Hall để cân chỉnh với nam châm Rotor, đem lại khả hoạt động tối đa Dựa vị trí vật lý cảm biến Hall, có cách đặt cảm biến Các cảm biến Hall đặt lệch pha góc 600... BLDC ba pha cần có cảm biến Hall để xác định vị trí Rotor Dựa vị trí phân bố cảm biến Hall, có loại tín hiệu đầu ra: Hệ tín hiệu đầu cảm biến lệch pha 600 hệ tín hiệu đầu cảm biến lệch pha 1200... hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động dòng điện pha B Hình 2.15: Thứ tự cấp điện cho cuộn dậy tương ứng với cảm biến Hall Bảng 2 .3: Thứ tự chuyển mạch động quay [5] Đầu vào từ cảm biến Hall