CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ BLDC TRÊN XE ĐIỆN
Xe điện [1]
Ngành công nghiệp ô tô đóng vai trò quan trọng trong thương mại và nghiên cứu phát triển toàn cầu Các nhà sản xuất ô tô đang tích cực áp dụng công nghệ an toàn tiên tiến nhằm bảo vệ hành khách và người đi bộ Sự gia tăng số lượng phương tiện trên đường đã mang lại trải nghiệm di chuyển nhanh chóng và thú vị hơn Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc ô nhiễm không khí đô thị gia tăng đáng kể, với nhiều loại chất ô nhiễm xuất hiện.
Dữ liệu từ Liên minh Châu Âu cho thấy giao thông đường bộ chiếm hơn 70% lượng khí thải của ngành, bao gồm PM, NOX, CO và SO2 Để giảm ô nhiễm không khí và khí thải gây hiệu ứng nhà kính, nhiều chính phủ các nước phát triển đang khuyến khích sử dụng xe điện (EV) Các biện pháp khuyến khích giao thông vận tải thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng có thể bao gồm ưu đãi thuế, hỗ trợ tài chính khi mua xe, hoặc các sáng kiến như cung cấp đường và bãi đậu xe công cộng miễn phí.
2.1.2 Xe điện Động cơ điện được phát minh vào năm 1827, khi linh mục Anyos Jedlik người Hungary chế tạo động cơ điện thô sơ nhưng khả thi đầu tiên Đây là năm khởi nguồn cho sự khai sinh của ngành công nghiệp xe điện
Tất cả các loại xe điện (EV) được trang bị động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong, sử dụng bộ pin sức kéo để cung cấp năng lượng Chúng cần được sạc tại các trạm sạc hoặc nguồn điện, và do hoạt động bằng điện, xe không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường Động cơ điện còn mang lại khả năng điều khiển vượt trội, cho phép áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, nâng cao chất lượng động học của ô tô.
Trên thị trường hiện nay có hai loại xe điện: hybrid và pure electric (thuần điện)
Xe thuần điện bao gồm các bộ phận chính như pin sạc, bộ điều khiển và động cơ điện Pin cung cấp năng lượng cho hệ thống, sau đó bộ điều khiển chuyển đổi dòng điện từ DC sang AC để cung cấp cho động cơ Cuối cùng, động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng, giúp xe hoạt động hiệu quả.
Công nghệ tương tự được áp dụng trên xe hybrid, kết hợp với động cơ xăng nhỏ để vận hành máy phát điện Hệ thống này cung cấp năng lượng cho xe khi di chuyển ở tốc độ cao và hỗ trợ pin.
Công nghệ hybrid cung cấp thêm năng lượng khi xe tăng tốc và cho phép ắc quy tự sạc lại khi xe giảm tốc hoặc dừng lại Với khả năng sử dụng xăng, xe hybrid có thể di chuyển xa hơn, giúp tiết kiệm chi phí và giảm tác động đến môi trường.
Hiện nay, sự phát triển công nghệ chế tạo và sản xuất đã dẫn đến sự đa dạng của động cơ ô tô Theo cấu tạo, động cơ ô tô được phân thành hai loại chính.
- Động cơ không đồng bộ
Động cơ nam châm vĩnh cửu, hay động cơ đồng bộ, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng và bảo vệ môi trường, đặc biệt trong bối cảnh xe hybrid ngày càng phổ biến trên toàn cầu Tuy nhiên, xe hybrid vẫn gặp phải một số hạn chế, như thời gian sạc lâu, tuổi thọ pin ngắn và hạ tầng trạm sạc chưa phát triển rộng rãi, khiến việc thay thế xe động cơ xăng và diesel trở nên khó khăn Động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong xe điện và đang được nghiên cứu, tối ưu hóa để khắc phục những bất cập này.
Ngoài động cơ điện thì trên xe điện còn có nhiều bộ phận khác như:
- Ắc quy phụ: Trong một chiếc xe truyền động điện, nguồn pin phụ cung cấp năng lượng cho các thiết bị trên xe hoạt động
Hình 2.1: Cấu tạo xe điện
- Cổng sạc: Cổng sạc cho phép phương tiện kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc ắc-quy
Biến tần là thiết bị chuyển đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều, cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện xoay chiều Ngoài ra, việc điều chỉnh biên độ tín hiệu biến tần cũng giúp kiểm soát công suất và mô-men xoắn của động cơ.
Bộ sạc pin tích hợp trong pin giúp kiểm soát mức điện áp thông qua việc điều chỉnh tốc độ sạc trên ô tô Nó còn có chức năng theo dõi nhiệt độ, góp phần duy trì tuổi thọ lâu dài cho pin.
- Bộ ắc quy kéo: Lưu trữ điện để cung cấp cho motor
Bộ điều khiển điện tử công suất là thành phần quan trọng trong hệ thống, có chức năng quản lý dòng năng lượng từ ắc quy, điều chỉnh tốc độ của motor điện và kiểm soát momen xoắn mà motor tạo ra.
Hệ thống làm mát (Thermat System) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu cho động cơ và motor điện, cũng như các bộ phận khác, đảm bảo hiệu suất và độ bền của thiết bị.
Trong phần này, chúng ta sẽ phân loại các loại xe điện và thảo luận về những tính năng nổi bật của chúng Để hiểu rõ hơn về tình hình hiện tại của thị trường xe điện, chúng ta sẽ xem xét số liệu bán hàng và ước tính về các loại ô tô tương đương ở các quốc gia khác nhau trên thế giới.
Xe điện có nhiều kiểu dáng và cấu hình đa dạng Mỗi loại có thể được nhóm thành một trong năm loại chính:
Hình 2.2: Phân loại xe điện
Xe điện chạy bằng pin (BEV) là loại phương tiện chỉ sử dụng năng lượng điện, không giống như xe chạy bằng xăng cần nhiên liệu lỏng Điều này khiến cho pin của BEV thường có kích thước lớn để đáp ứng nhu cầu năng lượng (Giansoldati, Monte và Scorrano, 2020).
Giới thiệu động cơ BLDC
Trong bối cảnh của một chiếc xe, bài viết so sánh các động cơ thông dụng như động cơ DC có chổi than và động cơ BLDC nam châm vĩnh cửu Những ưu và nhược điểm của từng loại động cơ được thảo luận, cùng với việc so sánh các đặc tính đầu ra như tốc độ và mô-men xoắn trong cùng một điều kiện vận hành Kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ BLDC là lựa chọn tối ưu cho xe điện hiệu suất cao Động cơ BLDC, lần đầu tiên được giới thiệu bởi T.G Wilson và P.H Trickey vào năm 1962, đã được ứng dụng cho một số lĩnh vực công suất thấp cụ thể.
Động cơ BLDC công suất cao đã xuất hiện trên thị trường nhờ sự phát triển của vật liệu bán dẫn công suất cao và nam châm vĩnh cửu Bài viết này tập trung vào động cơ BLDC ba pha nối sao, trong đó việc điều khiển phụ thuộc vào vị trí của rôto nam châm vĩnh cửu Sự chuyển mạch điện tử làm tăng độ phức tạp của bộ truyền động so với các loại động cơ khác Để nghiên cứu hành vi của động cơ cho các thuật toán điều khiển khác nhau, cần có mô hình mô phỏng chính xác Mô hình ba pha của động cơ BLDC kết nối hình sao với sóng back-EMF lý tưởng được thảo luận cùng với mô hình toán học và nguyên tắc hoạt động Để điều khiển tốc độ, bộ điều khiển điều chế độ rộng xung kỹ thuật số được thực hiện trong mô hình, và mô hình này đã được xác nhận thông qua các kết quả thực nghiệm.
Có hai kỹ thuật chuyển mạch chính cho động cơ BLDC dựa trên phương pháp phát hiện vị trí rôto: cảm biến Hall Effect và điều khiển không cảm biến Cảm biến Hall Effect thường được gắn bên trong động cơ để xác định vị trí rôto, trong khi các sơ đồ điều khiển không cảm biến dựa vào việc phát hiện EMF trở lại của các quỹ đạo liên kết pha và từ thông Động cơ BLDC có ưu điểm là đơn giản, chi phí sản xuất thấp và ít cần bảo trì, nhưng thuật toán điều khiển không cảm biến phức tạp hơn so với kỹ thuật chuyển mạch thông thường Một trong những hạn chế chính của động cơ BLDC là mô-men xoắn gợn sóng trong ứng dụng.
Mô-men xoắn miễn cưỡng và mô-men xoắn tương hỗ là hai thành phần chính trong động cơ BLDC, với mô-men xoắn phát sinh từ sự tương tác giữa từ trường của rôto nam châm vĩnh cửu và biến thiên khe hở không khí Kỹ thuật bộ điều khiển độ trễ được áp dụng nhằm hạn chế sai số mô-men xoắn, giúp giảm biên độ gợn sóng mô-men xoắn so với các kỹ thuật chuyển đổi Hiệu ứng Hall thông thường Việc điều khiển mô-men xoắn trực tiếp trong động cơ BLDC cho phép phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi đột ngột của mômen tải, nâng cao hiệu suất và an toàn cho xe điện Mặc dù việc sử dụng cảm biến Hall để chuyển đổi động cơ BLDC đơn giản hơn, nhưng nó cũng có nhược điểm như yêu cầu bảo trì thường xuyên, phát sinh bức xạ nhiễu điện từ cao và độ nhạy nhiệt độ của cảm biến tích hợp.
Trong một hệ thống truyền động sử dụng động cơ BLDC, lỗi có thể phát sinh ở stato, rôto hoặc biến tần Việc mô phỏng một chiếc xe điện dẫn động bốn bánh với động cơ BLDC trong Simulink cho phép phân tích tác động của việc mở biến tần khi gặp lỗi công tắc mạch đến hiệu suất hoạt động của xe.
Động cơ DC có chổi than hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện chạy qua các cuộn dây trong một từ trường cố định, tạo ra chuyển động quay Để duy trì chuyển động này, dòng điện cần được đảo chiều liên tục, giúp các cuộn dây “đuổi theo” các cực không cố định Nguồn điện cho cuộn dây được cung cấp qua chổi dẫn điện tiếp xúc với cổ góp quay, giúp đảo ngược cực của cuộn dây Tuy nhiên, nhược điểm lớn của hệ thống này là chổi than và cổ góp nhanh chóng hao mòn do tiếp xúc liên tục, yêu cầu thay thế và bảo trì thường xuyên Điều này đã dẫn đến sự phát triển của động cơ không chổi than (BLDC).
Trong thiết kế rôto bên trong của động cơ BLDC, các cuộn dây stato được cố định vào vỏ và bao quanh rôto, mang lại lợi ích lớn về khả năng tản nhiệt Điều này không chỉ ảnh hưởng tích cực đến khả năng tạo ra mô-men xoắn mà còn giúp giảm quán tính của rôto, khiến cho thiết kế này trở thành lựa chọn phổ biến cho hầu hết các động cơ BLDC.
Hình 2.6: Động cơ BLDC bên trong
Trong thiết kế rôto bên ngoài, cuộn dây nằm trong lõi động cơ, trong khi nam châm rôto bao quanh cuộn dây stato Nam châm rôto đóng vai trò như một chất cách điện, giúp giảm tốc độ tản nhiệt từ động cơ Với vị trí cuộn dây stato, thiết kế rôto bên ngoài thường hoạt động ở chu kỳ làm việc thấp hơn hoặc dòng điện danh định thấp hơn Một trong những ưu điểm chính của động cơ BLDC rôto ngoài là mô-men xoắn tương đối thấp.
Hình 2.7: Động cơ BLDC có roto bên ngoài
Cả 2 loại động cơ BLDC này đều sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn vào rôto của nó Điều này hoàn toàn khác với động cơ điện một chiều có chổi than điển hình, trong đó các cuộn dây nằm trên rôto và nam châm vĩnh cửu ở bên ngoài Vì rôto của động cơ BLDC không sử dụng cuộn dây nên không cần cung cấp dòng điện cho nó nên không cần cổ góp chổi than.
Cấu tạo động cơ BLDC [1]
Stator là phần đứng yên không chuyển động của một hệ thống, ngược lại với phần ứng yên stator là rotor
Không giống như động cơ DC truyền thống, stato của động cơ BLDC chứa các cuộn dây phần ứng
Stato của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép điện, với các cuộn dây được đặt trong các rãnh xung quanh chu vi bên trong Cấu trúc này tương tự như các động cơ cảm ứng truyền thống.
Hầu hết các động cơ BLDC có ba cuộn dây được kết nối theo hình sao hoặc hình tam giác Mỗi cuộn dây được cấu tạo từ một số lượng bối dây nối liền, phân bố đều quanh chu vi của stato nhằm tạo ra số lượng cực chẵn Số cực của động cơ phụ thuộc vào cách bố trí và rãnh của stato.
Cách nối liền các bối dây trong stator khác nhau dẫn đến sự hình thành các dạng sức phản điện động khác nhau Từ sự khác biệt này, tên gọi của động cơ cũng được phân loại, bao gồm động cơ BLDC hình sin với sức phản điện động có dạng hình sin và động cơ BLDC hình thang với sức phản điện động có dạng hình thang Dòng điện của các động cơ này cũng tương ứng với hai hình dạng là hình sin và hình thang.
Hầu hết động cơ BLDC có ba cuộn dây stato được kết nối theo kiểu sao hoặc 'Y' mà không có điểm trung tính Dựa trên cách kết nối cuộn dây, stato được phân loại thành động cơ hình thang và động cơ hình sin.
Trong động cơ hình thang, cả dòng truyền động và EMF đều có hình dạng thang, tương tự như hình sin trong động cơ hình sin Động cơ này thường có định mức 48.
V (hoặc thấp hơn) được sử dụng trong ô tô và rô bốt (ô tô lai và cánh tay rô bốt)
Hình 2 10: Hai dạng sóng sức phản điện động (a) Hình thang và (b) Hình sin
Các cấu hình pha phổ biến của động cơ BLDC bao gồm 1 pha, 2 pha và 3 pha, tương ứng với số cuộn dây trên stator Lựa chọn động cơ phụ thuộc vào công suất điều khiển và tỉ lệ điện áp Động cơ có điện áp thấp hơn 48V thường được sử dụng trong các ứng dụng tự động như máy móc và robot, trong khi động cơ có điện áp trên 100V thường được áp dụng trong lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa.
2.3.2 Rotor Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt Rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu, thường là nam châm hợp kim đất hiếm như Neodymium (Nd), Samarium Cobalt (SmCo) và hợp kim Neodymium, Ferrite và Boron (NdFeB) Ở các động cơ yêu cầu quán tính của Rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau Về cơ bản thì Rotor không có gì khác so với các loại động cơ nam châm vĩnh cửu khác
Số lượng cực trong ứng dụng có thể dao động từ hai đến tám, với các cực Bắc (N) và Nam (S) được sắp xếp xen kẽ Hình ảnh dưới đây minh họa ba cách bố trí khác nhau của các cực, trong đó trường hợp đầu tiên cho thấy các nam châm được đặt ở ngoại vi bên ngoài của rôto.
Dựa vào yêu cầu mật độ từ trường trong Rotor, nam châm Ferrite thường được sử dụng do giá thành rẻ, nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp Ngược lại, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến nhờ vào mật độ từ cao, cho phép thu nhỏ kích thước Rotor mà vẫn đạt được mô-men tương tự Do đó, với cùng thể tích, mô-men của Rotor sử dụng nam châm hợp kim luôn lớn hơn so với Rotor sử dụng nam châm Ferrite.
Động cơ DC không chổi than hoạt động dựa trên cơ chế chuyển mạch điện tử, khác với động cơ DC truyền thống Các cuộn dây của stato được cấp điện thông qua công tắc van bán dẫn công suất, với thứ tự cấp điện cho các cuộn dây phụ thuộc vào vị trí của rôto và nguồn điện Điều này đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu và chính xác cho động cơ.
Hình 2.12: Stator và rotor động cơ BLDC
Để xác định cuộn dây nào sẽ được cấp điện tiếp theo, việc biết vị trí của rôto là rất quan trọng Vị trí này được đo thông qua cảm biến hiệu ứng Hall được ẩn trong stato.
Nguyên lý hiệu ứng Hall:
Nguyên tắc vật lý cơ bản của hiệu ứng Hall là lực Lorentz, được thể hiện khi electron di chuyển theo phương v, vuông góc với từ trường B Trong quá trình này, electron chịu tác động của lực Lorentz F, lực này vuông góc với cả từ trường và dòng điện.
Khi cực nam châm của rotor đi qua cảm biến Hall, cảm biến sẽ phát tín hiệu số cao (1) hoặc thấp (0) tương ứng với cực nam hoặc cực bắc Tín hiệu từ ba cảm biến Hall được tổng hợp để xác định trình tự chuyển mạch Hiệu ứng Hall, một hiện tượng vật lý, xảy ra khi một từ trường vuông góc tác động lên một thanh kim loại hoặc bán dẫn có dòng điện chạy qua, tạo ra hiệu điện thế (hiệu thế Hall) giữa hai mặt đối diện của thanh.
Hiệu ứng Hall là hiện tượng mà khi các electron di chuyển trong một vật dẫn dưới tác động của lực, chúng sẽ cong theo đường dẫn, dẫn đến sự tích tụ điện tích và hình thành điện áp Hall, ký hiệu là 𝑉 𝐻 Điện áp này tỷ lệ thuận với cường độ trường điện từ và cực của vật dẫn.
Hướng từ trường, có thể là bắc hoặc nam, xác định giá trị V H Đặc tính này cho phép hiệu ứng Hall được ứng dụng như một cảm biến từ trường.
- 𝑉 𝐻 là điện áp Hall trên tấm dẫn điện,
- I là dòng điện đi qua tấm,
- q là độ lớn điện tích của các hạt tải điện,
- ρn là số hạt tải điện trên một đơn vị thể tích,
- t là chiều dày của tấm
Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC [2]
Khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó sinh ra một từ trường, với các đường sức từ và các cực phụ thuộc vào hướng của dòng điện.
Nguyên tắc hoạt động của động cơ BLDC tương tự như động cơ DC có chổi than, với phản hồi vị trí trục bên trong Trong động cơ DC có chổi than, phản hồi được thực hiện thông qua cổ góp cơ khí và chổi than, trong khi động cơ BLDC sử dụng nhiều cảm biến phản hồi Cảm biến hiệu ứng Hall là loại cảm biến chủ yếu được sử dụng trong động cơ BLDC; khi các cực từ của rôto đi qua gần cảm biến, chúng tạo ra tín hiệu cao hoặc thấp, giúp xác định vị trí trục Nếu hướng từ trường đảo ngược, điện áp phát triển cũng sẽ thay đổi theo.
Hình 2.15: Từ thông qua cuộn dây
Hình 2.16: Sơ đồ truyền động động cơ BLDC 3 pha, 4 cực nối sao
Để nâng cao hiệu suất động cơ, việc quấn hai cuộn dây đối diện như một cuộn dây đơn sẽ tạo ra các cực đối diện với rôto, giúp gia tăng lực hút gấp đôi Với sáu cực trên stator và chỉ ba cuộn dây hoặc ba pha, hiệu suất có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách cung cấp năng lượng cho hai cuộn dây đồng thời Nhờ đó, một cuộn dây sẽ thực hiện chức năng hút, trong khi cuộn dây kia sẽ đẩy rôto.
Hoạt động của động cơ BLDC dựa vào vi điều khiển xác định vị trí roto thông qua dữ liệu từ cảm biến Hall Vi điều khiển sẽ tiến hành băm xung và kích hoạt các mosfet, đóng và mở các pha tương ứng với vị trí của roto, từ đó giúp động cơ quay một cách hiệu quả.
Phương pháp điều khiển động cơ BLDC
Quá trình điều khiển động cơ BLDC chính là quá trình điều khiển sao cho dòng điện chạy qua các cuộn dây đặt trên stator một cách hợp lí
Có hai phương pháp chính để điều khiển động cơ BLDC: phương pháp cảm biến (sử dụng cảm biến Hall hoặc Encoder) và phương pháp không cảm biến (sensorless control) Các phương pháp điều chế điện áp từ bộ điều khiển bao gồm điện áp dạng sóng hình thang và hình sin Cả hai loại điện áp này đều có thể áp dụng cho điều khiển có cảm biến, trong khi phương pháp không cảm biến chỉ sử dụng điện áp dạng sóng hình thang.
2.5.1 Điều khiển động cơ có cảm biến Động cơ BLDC ba pha cần có 3 cảm biến Hall để xác định vị trí của Rotor Dựa trên vị trí phân bố của các cảm biến Hall, có 2 loại tín hiệu đầu ra: Hệ tín hiệu đầu ra cảm biến lệch pha 60 độ và hệ tín hiệu đầu ra cảm biến lệch pha 120 độ Việc kết hợp tín hiệu từ các cảm biến Hall này có thể cho phép xác định chính xác trình tự chuyển mạch
Hình 2.17: Hoạt động của động cơ BLDC có cảm biến Hall
Các cảm biến Hall “1”, “2”, “3” được lắp đặt trên Stator với khoảng cách 120 độ giữa chúng Dây quấn Stator của động cơ được kết nối theo dạng hình sao, và với mỗi 60 độ quay của Rotor, một cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái, yêu cầu 6 lần chuyển mạch để hoàn thành một chu kỳ tín hiệu Trong chế độ đồng bộ, dòng điện pha sẽ đảo chiều sau mỗi 60 độ, với một đầu dây quấn Stator duy trì điện áp cao, một đầu khác ở điện áp thấp, trong khi đầu dây thứ ba được giữ ở trạng thái treo.
Mỗi chu kỳ tín hiệu không tương ứng với một vòng quay của Rotor; số chu kỳ tín hiệu cần thiết để hoàn tất một vòng quay được xác định bởi số cặp cực của Rotor Để hoàn thành một vòng quay, mỗi cặp cực Rotor yêu cầu một chu kỳ tín hiệu.
Hình 2.18: Tín hiệu cảm biến hall, sức phản điện động và dòng điện pha
Số chu kỳ tín hiệu cần thiết để điều khiển động cơ quay một vòng tương đương với số cặp cực của Rotor Ba cuộn dây Stator được đặt lệch nhau 120 độ, tạo ra sức phản điện động với góc chuyển mạch là 60 độ, dẫn đến việc không cấp dòng cho cuộn dây Stator tương ứng trong một khoảng thời gian nhất định Dựa vào dạng dòng điện ba pha của động cơ và vị trí của cảm biến Hall, ta có thể xác định sơ đồ mở van cho bộ nghịch lưu Mỗi chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổi vị trí, do đó sẽ có 6 trạng thái mở van khác nhau.
Hình 2.19: Thứ tự cấp điện các pha
Các cảm biến Tín hiệu điều khiển
Các pha của động cơ
0 0 0 1 IC_BTS3H IC_BTS2L OFF -24V +24V
1 0 1 1 IC_BTS3H IC_BTS1L -24V OFF +24V
2 0 1 0 IC_BTS2H IC_BTS1L -24V +24V OFF
3 1 1 0 IC_BTS2H IC_BTS3L OFF +24V -24V
4 1 0 0 IC_BTS1H IC_BTS3L +24V OFF -24V
5 1 0 1 IC_BTS1H IC_BTS2L +24V -24V OFF
Bảng 2.2: Các trạng thái chuyển mạch của động cơ BLDC 2.5.2 Điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến
So với phương án điều khiển bằng cảm biến Hall, động cơ BLDC không cảm biến nổi bật với ưu điểm giảm chi phí và khối lượng Việc chuyển đổi từ tám dây dẫn thành ba dây giúp đơn giản hóa quá trình gỡ lỗi Hơn nữa, cảm biến Hall dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và từ trường, dẫn đến tỷ lệ lỗi cao Điều này lý giải cho sự gia tăng ứng dụng của động cơ BLDC không cảm biến, đang dần thay thế động cơ BLDC có cảm biến Hall trong nhiều điều kiện.
Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến động cơ BLDC là mômen 0 của sức điện động cảm ứng trên pha động cơ, tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp với điều chế điện áp hình thang.
Hình 2.20: Dòng điện động cơ BLDC và dạng sức điện động ngược
Vấn đề chính trong điều khiển động cơ BLDC là xác định thời điểm chuyển mạch pha Hình 2.20 cho thấy rằng giữa mỗi hai điểm chuyển pha có một điểm mà cực của sức điện động ngược thay đổi Điểm này, được gọi là điểm giao nhau bằng không, xảy ra khi sức điện động phía sau chuyển từ dương sang âm hoặc ngược lại Nhờ vào đặc tính của suất điện động phía sau, chúng ta có thể xác định chính xác điểm cắt 0 Ví dụ, trong 60° đầu tiên của Hình 2.20, dòng điện pha A là dương, pha B là âm và pha C bằng không, cho thấy sự tương quan giữa các pha.
Khi B được dẫn, dòng điện sẽ chạy từ pha A sang pha B, trong khi pha C tạo thành một mạch hở Suất điện động ngược sẽ xuất hiện ở pha C tại điểm cắt bằng không Do pha C không được kết nối với nguồn điện, nên nó không có dòng điện Điện áp pha và suất điện động ngược pha tương ứng với nhau, do đó, điện áp của pha không dẫn điện có thể được phát hiện mỗi 60 độ, cho thấy sức điện động trở lại cũng có thể được nhận diện.
Một số đặc điểm về điện của động cơ BLDC
Mô-men điện từ của động cơ BLDC được xác định như động cơ có chổi than thông thường:
2.6.2 Đặc tính cơ và đặc tính là việc của động cơ BLDC [4]
2.6.2.1 Đặc tính cơ của động cơ BLDC
Hình 2.21: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC
Khi điện áp giảm, tốc độ của động cơ BLDC cũng sẽ giảm theo Đặc tính cơ của động cơ BLDC tương tự như động cơ điện một chiều, cho phép mở rộng dải điều chỉnh và dễ dàng điều chỉnh tốc độ Chính vì vậy, động cơ BLDC đang ngày càng được sử dụng phổ biến, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô.
2.6.2.2 Đặc tính làm việc của động cơ BLDC Động cơ làm việc ở hai vùng, ở tốc độ thấp moment không đổi, công suất thay đổi Khi đạt đến vận tốc cơ sở thì công suất không đổi và moment giảm Khi tốc độ vượt quá tốc độ giới hạn thì moment và công suất đều giảm
Hình 2.22: Đặc tính làm việc của động cơ 2.6.3 Sức phản điện động [1]
Khi động cơ điện một chiều không chổi than hoạt động, theo định luật Lenz, mỗi cuộn dây sinh ra một suất điện động ngược chiều với hiệu điện thế cung cấp Suất điện động này phụ thuộc chủ yếu vào ba yếu tố: vận tốc góc của rôto, từ trường do nam châm vĩnh cửu tạo ra, và số vòng dây của mỗi cuộn dây ở rôto và stato.
EMF: Sức điện động cảm ứng
N: Số vòng dây trên mỗi pha l: Chiều dài rotor r: Bán kính trong của rotor
B: Mật độ từ trường của rotor w: Vận tốc góc của động cơ
Trong động cơ BLDC, từ trường rôto và số vòng dây của stato là các tham số cố định Suất điện động chỉ bị ảnh hưởng bởi vận tốc góc của rôto; khi tốc độ tăng, sức phản điện động cũng gia tăng Tài liệu kỹ thuật của động cơ cung cấp một tham số gọi là hằng số sức phản điện, giúp ước tính sức phản điện động tại một tốc độ nhất định.
Mô hình toán của động cơ BLDC [1]
Mô hình toán học của đối tượng là một quan hệ toán học nhằm mô tả đối tượng thực tế dưới dạng biểu thức toán học, giúp thuận tiện cho việc phân tích và thiết kế quá trình điều tra Đối với động cơ, mô tả toán học giữ vai trò quan trọng, vì tất cả các nghiên cứu lý thuyết và toán học đều dựa vào các mô hình này Do đó, mô hình toán học trở thành chìa khóa giải quyết mọi vấn đề trong quá trình tính toán và thiết kế động cơ.
Hình 2.23: Mô hình mạch điện của động cơ BLDC
Từ mô hình mạch điện của động cơ thì phương trình điện áp của một pha:
𝑑 𝑡 + 𝑒 𝑐 Đặt s là toán tử laplace khi đó 𝑑 𝑖
Trong hệ thống động cơ, 𝐿 𝑎 , 𝐿 𝑏 , 𝐿 𝑐 đại diện cho điện cảm của các cuộn dây động cơ, trong khi 𝐿 𝑎𝑏 , 𝐿 𝑏𝑐 , 𝐿 𝑐𝑎 là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng Các điện trở của cuộn dây stator được ký hiệu là 𝑅 𝑎 , 𝑅 𝑏 , 𝑅 𝑐 Do tính đối xứng của các pha, các giá trị điện trở, điện cảm và hỗ cảm của ba cuộn dây là bằng nhau.
Trên hình các cuộc dây của stator đấu sao nên:
Chuyển vế biểu thức (2-9) ta được:
Từ biểu thức (2-10) thu gọn được mô hình động cơ BLDC
Hình 2.24: Mô hình thu gọn của động cơ BLDC Đặt L-M=L.s là điện cảm tương đương của mỗi pha
Trong đó 𝑒 𝑎 , 𝑒 𝑏 , 𝑒 𝑐 là các sức phản điện động của Back EMF có dạng hình thang
Mômen điện từ của động cơ được xác định dựa trên công suất cơ và năng lượng điện Ma sát trong động cơ chủ yếu diễn ra giữa trục động cơ và ổ trục, dẫn đến lực ma sát rất nhỏ Hơn nữa, vật liệu cấu thành động cơ có điện trở cao, cho phép bỏ qua hao hụt sắt và đồng, do đó công suất điện cung cấp cho động cơ tương đương với công suất cơ tại mũi trục.
Biểu thức tính mô men điện từ:
Trong đó: 𝜔:là tốc độ động cơ
2.7.3 Phương trình động học của động cơ BLDC
Ma sát thường tỷ lệ với tốc độ nên có biểu thức:
Momen quán tính của tải: 𝐽 𝑐
Phương trình động lực học tổng quát:
2.7.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC Đặc tính cơ là là sự liên hệ giữa momen động cơ và tốc độ Công suất động cơ là tích số của momen và tốc độ động cơ Tuy nhiên, dưới cùng một giá trị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau, thì mối quan hệ giữa hai tích số này khác nhau
Phương trình đặc tính cơ có dạng:
K: hệ số phản hồi e: sức phản điện động
R: điện trở của động cơ
Phương pháp điều chế điện áp [1]
2.8.1 Điều khiển bằng phương pháp PMW
Để điều khiển tốc độ động cơ BLDC, chúng ta có thể áp dụng công nghệ PWM thông qua việc điều chỉnh điện áp đầu vào Phương pháp này hiện đang được sử dụng phổ biến trong điều khiển điện áp Cụ thể, điện áp cung cấp cho khóa nguồn được giữ cố định, trong khi điện áp đầu ra từ khóa đến động cơ sẽ thay đổi theo thuật toán điều khiển Công nghệ PWM cho phép thực hiện cả việc khóa và mở khóa hoặc thực hiện đồng thời cả hai chức năng này.
Điều chế điện áp hình sin, hay còn gọi là kiểu AC không chổi than (Brushless AC), giúp động cơ hoạt động trơn tru và êm ái hơn bằng cách điều chỉnh dòng điện vào từng giai đoạn trong ba pha Phương pháp này cho phép thông lượng không còn bị giới hạn ở sáu hướng rời rạc, mang lại hiệu suất cao hơn so với điều khiển bằng biến tần, mặc dù điều khiển hình sin phức tạp hơn.
Lý thuyết bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến trong hệ thống điều khiển công nghiệp, nổi bật nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Nó hoạt động bằng cách tính toán sai số, tức là sự chênh lệch giữa giá trị đo và giá trị mong muốn, nhằm giảm thiểu sai số này Để đạt được điều đó, bộ điều khiển PID điều chỉnh giá trị đầu vào dựa trên đặc tính của hệ thống, trong khi kiểu điều khiển vẫn giữ nguyên Các thông số của bộ điều khiển cần được tùy chỉnh theo đặc thù của từng hệ thống.
Hình 2.27: Bộ điều khiển PID 2.9.1 Khâu tỉ lệ (Proportional): [5]
- Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh
- Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu)
- Kp càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực => Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao
- Nếu Kp tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần => mất ổn định
- Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số
- Ki càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm
Khi giá trị Ki tăng lên, sai số xác lập sẽ giảm thiểu đáng kể Đặc biệt, hệ số khuếch đại của khâu tích phân đạt giá trị vô cùng khi tần số bằng 0, giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập trong hệ thống điều khiển.
- Ki càng lớn thì độ vọt lố càng cao
- Kd càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh
- Kd càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ
- Hệ số khuếch đại tại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với nhiễu – tần số cao
Khâu vi phân không thể hoạt động độc lập mà cần kết hợp với các khâu P hoặc I Điều khiển tỉ lệ (P) giúp giảm thời gian đáp ứng và giảm sai số xác lập, nhưng không loại bỏ hoàn toàn Điều khiển tích phân (I) có khả năng loại bỏ sai số xác lập nhưng có thể làm giảm chất lượng đáp ứng quá độ Trong khi đó, điều khiển vi phân (D) tăng cường sự ổn định của hệ thống, giảm hiện tượng vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ Tóm tắt ảnh hưởng của các bộ điều khiển P, I và D lên hệ thống vòng kín được thể hiện trong bảng 2.3.
Thời gian Đáp ứng Vọt lố Thời gian xác lập
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ
Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
Bảng 2.3: Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển P,I và D 2.9.4 Bộ điều khiển PID rời rạc
Hình 2.28: Lý thuyết điều khiển tự động hàm truyền rời rạc trên miền ảnh Z
Ta được tín hiệu điều khiển PID cho hệ rời rạc:
Bằng cách điều chỉnh ba hằng số trong thuật toán của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí hall Từ đó, sai số thực tế được xác định và điện áp đến động cơ được điều chỉnh để đạt được tốc độ mong muốn.
Hình 2.29 minh họa sơ đồ khối điều khiển bằng PID, trong đó độ lỗi ∆𝜔 là sự chênh lệch giữa tốc độ đặt ωr và tốc độ thực tế ωm Độ lỗi này có thể âm hoặc dương, tùy thuộc vào việc tốc độ thực lớn hơn hay nhỏ hơn tốc độ đặt Độ lỗi được đưa qua khâu hiệu chỉnh PID nhằm khuếch đại giá trị lỗi, và kết quả khuếch đại này sẽ được sử dụng để điều chỉnh độ rộng xung PWM của tín hiệu điều khiển.
2.9.5 Mô phỏng trên Matlab Simulink
2.9.5.1 Mô phỏng đặc tính của BLDC [23]
Hình 2.30: Khối Simulink mô phỏng BLDC
Mô phỏng trên Matlab Simulink cho thấy kết quả dạng sóng của tất cả các pha, với giả thiết rằng các pha được phân bố đối xứng giữa các cuộn dây khác nhau Hình 2.31 minh họa tín hiệu back-EMF hình thang của mô hình động cơ BLDC, cho thấy độ lệch pha chính xác 120 độ điện giữa các tín hiệu EMF Đặc tính mômen của động cơ BLDC được thể hiện trong Hình 2.32, với mômen điện ban đầu đạt 92,6 Nm Mômen điện này duy trì ổn định xung quanh giá trị mômen tải Hình 2.31 cũng trình bày điện áp dòng, dòng điện và tín hiệu hiệu ứng Hall tương ứng của pha A trong mô hình động cơ BLDC, cùng với điện áp đường dây được đo.
Hình 2.32: Các tín hiệu Back – EMF của mô hình động cơ BLDC
Hình 2.31: Mô-men xoắn của Động cơ BLDC khi không tải
Để có cái nhìn toàn diện về cả ba tín hiệu, cần xem xét cực âm của liên kết DC của biến tần với hệ số thu nhỏ 0,1 Các tín hiệu được phân tích bao gồm Độ HALL 1, HALL 2 và HALL 3.
Bảng 2.4: Bảng tín hiệu giá trị Hall
Kết quả mô phỏng động cơ BLDC trong điều kiện không tải và có tải cho thấy phản ứng động của động cơ rất cao nhờ vào rôto nam châm vĩnh cửu với quán tính thấp Mô-men xoắn của động cơ BLDC được thể hiện rõ trong Hình 2.33, trong khi Hình 2.34 minh họa EMF trở lại được tạo ra trong giai đoạn A của động cơ.
Hình 2.33: Dòng điện stator và Back-EMF của pha A khi không tải
Phanh tái sinh [22]
Phanh tái sinh là cơ chế phục hồi năng lượng giúp làm chậm xe bằng cách chuyển đổi động năng thành điện năng Năng lượng này có thể được sử dụng ngay lập tức hoặc lưu trữ cho sau này Trong trường hợp tàu điện, điện năng sẽ được đưa trở lại hệ thống cung cấp, trong khi xe điện chạy bằng pin và xe điện hybrid lưu trữ năng lượng trong pin hoặc bộ tụ điện Ngoài ra, năng lượng cũng có thể được lưu trữ bằng cách nén không khí hoặc trong bánh đà quay.
Phanh tái tạo năng lượng, phát triển vào năm 1967 cho mẫu xe ý tưởng AMC Amitron, là công nghệ cho phép xe chạy hoàn toàn bằng pin Công nghệ này giúp sạc lại pin thông qua quá trình phanh, từ đó nâng cao phạm vi hoạt động của ô tô.
Many modern hybrid and electric vehicles utilize this technique to extend the operational range of their batteries Examples include the Toyota Prius, Honda Insight, electric maxi-scooter Vectrix, and Chevrolet Volt.
Hình 2.34: Biểu đồ lệch pha BLDC
Hệ thống phanh tái tạo mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phanh ma sát thông thường, đặc biệt trong điều kiện giao thông tốc độ thấp và dừng, đi Hệ thống này có khả năng cung cấp phần lớn lực phanh cần thiết, từ đó cải thiện đáng kể khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho xe Điều này làm tăng sức hấp dẫn của xe sử dụng phanh tái tạo, đặc biệt khi di chuyển trong thành phố Ở tốc độ cao hơn, phanh tái tạo cũng đã được chứng minh là giúp tiết kiệm nhiên liệu lên tới 20%.
Một chiếc xe tải nặng hoạt động gần hiệu suất tối đa với ít điểm dừng, trong đó 80% năng lượng được sử dụng để vượt qua lực đường lăn và khí động học Năng lượng hao phí khi phanh chỉ khoảng 2%, trong khi mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể cho phanh là 5%.
Trong môi trường đô thị với giao thông phức tạp, việc sử dụng phanh thường xuyên là điều không thể tránh khỏi Đối với các loại xe hoạt động chủ yếu trong thành phố, mức tiêu hao năng lượng do việc sử dụng phanh có thể lên tới 60% đến 65%.
Hệ thống truyền động điện cũng cho phép bẻ gãy tái sinh làm tăng Hiệu quả và giảm mài mòn hệ thống phanh xe
Trong phanh tái tạo, khi động cơ không nhận năng lượng từ bộ pin, nó chống lại sự quay của bánh xe, thu năng lượng chuyển động như một máy phát điện và trả lại cho bộ pin Tuy nhiên, trong hệ thống phanh cơ khí, việc giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ phanh là không khả thi, dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng phanh.
Phanh tái sinh có thể được hiểu rõ hơn qua ví dụ từ xe đạp trang bị Dynamo Khi xe đạp có máy phát điện để cung cấp năng lượng cho đèn, việc đạp xe sẽ trở nên khó khăn hơn khi máy phát điện hoạt động so với khi nó tắt Điều này xảy ra vì một phần năng lượng mà chúng ta tạo ra bị máy phát điện "đánh cắp" để chuyển đổi thành năng lượng điện cho đèn.
Khi chúng ta di chuyển nhanh và đột ngột dừng lại, việc kích hoạt máy nổ sẽ làm giảm tốc độ nhanh hơn bình thường, vì nó lấy đi động năng của chúng ta Hãy tưởng tượng một chiếc xe đạp với máy phát điện mạnh gấp 100 lần, có khả năng chuyển đổi động năng thành điện năng, giúp chiếc xe dừng lại nhanh chóng và lưu trữ năng lượng trong pin để sử dụng sau này Đây là nguyên lý cơ bản của hệ thống phanh tái tạo.
Tàu điện, ô tô và các loại xe điện khác hoạt động bằng động cơ điện kết nối với pin Khi lái xe, năng lượng từ pin được truyền đến động cơ, giúp quay bánh xe và cung cấp năng lượng cho phương tiện.
Hình 2.36: Ý tưởng thiết kế phanh tái sinh
Khi chúng ta di chuyển, động năng từ động cơ cung cấp năng lượng cần thiết Khi dừng lại và nhấn phanh, quá trình diễn ra ngược lại: các mạch điện tử ngắt điện cho động cơ, khiến động năng và động lượng làm cho bánh xe quay động cơ, hoạt động như máy phát điện để sản xuất điện Dòng điện này trở lại pin, sạc lại năng lượng đã mất khi phanh Nhờ vào phanh tái sinh, một phần lớn năng lượng được khôi phục và có thể sử dụng lại khi khởi động lại Tuy nhiên, phanh tái sinh cần thời gian để làm chậm, vì vậy hầu hết các phương tiện vẫn sử dụng phanh thông thường kết hợp, đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng phanh.
Xe điện sử dụng động cơ để tái tạo năng lượng qua phanh tái sinh, hoạt động như một máy phát điện trong quá trình phanh Năng lượng được tạo ra được cung cấp cho tải điện, giúp nâng cao hiệu quả phanh.
Phanh tái sinh trên ô tô hybrid xăng/điện giúp thu hồi năng lượng bị mất khi dừng, lưu trữ năng lượng này trong bộ pin dự trữ Năng lượng được tiết kiệm sau đó cung cấp cho động cơ khi xe hoạt động ở chế độ điện, góp phần tăng hiệu suất năng lượng và tiết kiệm nhiên liệu.
2.10.2 Các thành phần phanh tái sinh
Hệ thống phanh tái sinh hoạt động hiệu quả nhờ vào bốn yếu tố thiết yếu: động cơ, động cơ/máy phát điện, ắc quy và hệ thống điều khiển điện tử.
Trong quá trình tăng tốc, bộ phận động cơ/máy phát điện hoạt động như một động cơ điện, hút năng lượng từ pin để tăng cường sức mạnh cho xe Nhờ sự hỗ trợ này, động cơ đốt trong có kích thước nhỏ hơn và công suất tối đa thấp hơn nhưng vẫn đạt hiệu suất cao Khi phanh, hệ thống điện tử sẽ ngắt nguồn điện từ ắc quy Trong khi xe vẫn di chuyển, bộ phận động cơ/máy phát điện hoạt động như một máy phát điện, chuyển đổi động năng thành điện năng và lưu trữ trong pin để sử dụng sau.
Hình 2.37: Các thành phần phanh tái sinh
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Arduino MEGA2560 [6]
Mạch Arduino Mega 2560 là một bộ vi xử lý đa năng, tích hợp nhiều tính năng như I/O, PWM, Timer và Interrupt Với giá cả phải chăng, nó dễ dàng giao tiếp với các mô-đun và hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình, trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án điện tử.
Bộ xử lý AVR 8-bit Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào khuyên dùng 7-12V Điện áp vào giới hạn 6-20V
Digital I/O pin 54 (15 pin có khả năng băm xung)
Dòng điện trên chân I/O Max 20 mA Dòng điện trên chân 5V Max 500 mA Dòng điện trên chân 3.3V Max 50 mA
EEPROM 4096 byte Độ phân giải ADC 10 bit (0 -1023)
Bảng 3.1: Thông số cơ bản của Arduino Mega 2560
Chân digital (54 chân) của vi điều khiển Atmega2560 được sử dụng để đọc hoặc xuất tín hiệu, hoạt động với hai mức điện áp là 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa lên đến 20mA và được trang bị các điện trở pull-up từ tích hợp sẵn.
Một số chân digital trên bo mạch có chức năng đặc biệt, bao gồm 2 chân Serial: chân 0 (RX) dùng để nhận dữ liệu và chân 1 (TX) dùng để gửi dữ liệu TTL Serial.
Chân PMW (~): 2-13 và 44,45,46: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (từ 0-255 tương ứng từ 0V - 5V) bằng hàm Analog write ()
Các chân giao tiếp SPI bao gồm 53 (SS), 52 (MOSI), 50 (MISO) và 52 (SCK) Ngoài việc thực hiện các chức năng thông thường, bốn chân này còn có khả năng truyền dữ liệu qua giao tiếp SPI với các thiết bị khác.
Chân Analog (A0-A15) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0-1023) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V-5V Chân AREF trên board cho phép sử dụng điện áp tham chiếu khi làm việc với các chân analog Ngoài ra, chân 20 (SDA) và 21 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Lập trình cho Arduino và các thiết bị tương tự sử dụng một ngôn ngữ riêng, dựa trên biến thể của C/C++ Nhiều phần mềm hỗ trợ lập trình cho board Arduino, bao gồm Arduino IDE, CodeVision AVR, MATLAB và LabVIEW.
Mạch điều khiển động cơ BTS7960 [7]
Mạch điều khiển động cơ BTS7960 dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển, tích hợp đầy đủ các tính năng như cảm biến dòng, tạo dead time, và bảo vệ quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch Khi kết hợp hai modul BTS7960, người dùng có thể tạo thành mạch cầu ba pha để điều khiển động cơ BLDC Driver sẽ tự động ngắt điện khi điện áp xuống dưới 5.5V và khôi phục hoạt động khi điện áp vượt qua ngưỡng này Bên cạnh đó, mạch còn được trang bị cảm biến nhiệt tích hợp để bảo vệ quá nhiệt, đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Hình 3.2: Sơ đồ chân của mạch cầu H
Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật BTS 7960
Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo chip
Chân Kí hiệu I/O Chức năng
5 SR I Điều chỉnh tốc độ quay
6 IS O chẩn đoán dòng điện hiện tại
Bảng 3.3: Kí hiệu chân của chip
Vi điều khiển BTS7960 Điện áp cấp 5.5V-27V
Dòng điện 43A(tải trở) hoặc 15A(tải cảm)
Motor BLDC
Dòng điện 3.3A không tải Điện trở R 1.15 Ω
Cảm biến vị trí Hall (120° )
Bảng 3.4: Thông số kĩ thuật của motor BLDC
Biến trở [10]
Biến trở là một loại điện trở có khả năng điều chỉnh giá trị, bao gồm 3 chân: 2 chân nguồn (chân âm GND và chân dương VCC 5V) và 1 chân giữa để xuất ra giá trị điện áp thay đổi từ 0-5V khi xoay Nhóm thực hiện đã chọn biến trở có giá trị 10kΩ.
Mạch giảm áp LM2596 [11]
Mạch hạ áp DC LM2596 3A là một bộ điều chỉnh điện áp một chiều hiệu quả, có khả năng giảm điện áp từ 30V xuống 1.5V Với thiết kế nhỏ gọn, bộ chuyển đổi buck này đảm bảo hiệu suất cao trong quá trình hoạt động.
Hình 3.6: Mạch giảm áp LM2596
Bảng 3.5: Thông số kĩ thuật LM2596
Module này có 2 đầu vào IN và OUT cùng với 1 biến trở để điều chỉnh điện áp đầu ra Khi cấp điện cho đầu vào (IN), bạn cần vặn biến trở và sử dụng VOM để đo điện áp ở đầu ra (OUT) nhằm đạt được mức điện áp mong muốn Điện áp đầu vào dao động từ 4-35V, trong khi điện áp đầu ra có thể từ 1,25-30V với dòng tối đa 3A, phù hợp để cung cấp nguồn 5V cho Arduino Uno R3.
Nguồn xung 24V – 5A [12]
Chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều sang điện một chiều giúp cung cấp dòng điện ổn định, ngăn ngừa sụt áp và ảnh hưởng tiêu cực đến mạch Giải pháp này không chỉ hiệu quả cao mà còn có giá thành thấp và độ tin cậy cao, phù hợp cho việc cung cấp năng lượng cho BTS, motor Arduino và các mô-đun khác Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các mạch ổn áp.
Chip LM2596 Điện áp đầu vào 3V-30V Điện áp đầu ra 1,5V-30V
50 Điện Áp Đầu Vào AC 220V (Chân L và N) Điện Áp Đầu Ra DC 24V
Phạm vi điện áp đầu vào 180 ~ 264VAC
Bảng 3.6: Thông số kĩ thuật nguồn 24V-5A
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Tính toán tải trọng
Để xác định tải trọng cho mô hình động cơ BLDC, nhóm nghiên cứu tiến hành tính toán tải trọng của xe điện dựa trên các thông số thực tế khi hoạt động, nhằm xác định công suất tối thiểu cần thiết Từ đó, nhóm ước tính tải trọng cho mô hình để tính toán công suất motor Kết quả công suất motor tính toán sẽ được so sánh với công suất thực tế; nếu chưa đạt yêu cầu, nhóm sẽ điều chỉnh tải trọng cho đến khi kết quả gần nhất với thực tế Dưới đây là các tính toán của nhóm.
𝑚 2590 (kg) (tính cả tải trọng người trên xe)
Bảng 4.1: Thông số xe điện
Lực cần thiết để xe đạp kéo tải trọng theo yêu cầu:
Dấu (+): xe chạy ngược chiều gió
Dấu (-): xe chạy cùng chiều gió Để có công xuất phù hợp với điều kiện hoạt động ta chọn trường hợp xe chạy ngược chiều gió
* Lực cản lăn: là lực cản của xe do sự tiếp xúc của lốp xe với dường, được xác định bởi công thức:
𝐹 𝑙ă𝑛 = 𝑚 𝑔 𝑓 [15] m: khối lượng toàn bộ của xe g:gia tốc trọng trường (g=9,81𝑚/𝑠 2 )
𝑓 = 0,01-0,02 (đối với mặt đường là nhựa, bê tông) Đối với giao thông việt nam ta chọn f=0,01
Vây công suất cần thiết để xe có thể lăn bánh là:
Hình 4.1: Phân tích lực khi lên dốc
Công thức tính lực cản lên dốc được xác định bởi phương trình:
𝑁(𝑝ℎả𝑛 𝑙ự𝑐) = 𝑚 𝑔 cos (𝛼) hệ số ma sát = hệ sộ cản (𝑓)
= 2590.9,81 (cos(20) 0,01 + sin(20)) ≈ 4654 (𝑁) Công suất cần thiết để vượt lên dốc
* Lực cản khí động học: công thức tính lực cản khỉ động học được đưa ra theo phương trình:
Hình 4.2: Hệ số cản và diện tích cản không khí
Công suất cần thiết để vượt lực cản khí động học là:
18 = 53930,1 (𝑤) Vậy công suất cần thiết để di chuyển xe là:
Công suất tổng (𝑃 𝑡ổ𝑛𝑔) được tính bằng tổng công suất cản động học (𝑃𝑐ả𝑛 độ𝑛𝑔 ℎọ𝑐) và công suất đổ dốc (𝑃 𝑑ố𝑐), cụ thể là 53930,1 + 38783 = 92713 (𝑤) hay khoảng 93 (𝐾𝑤) Trong công thức tính 𝑃 𝑡ổ𝑛𝑔, công suất lăn (𝑃 𝑙ă𝑛) không được tính riêng vì khi xe di chuyển lên dốc, công suất cần thiết để thắng lực cản lăn (𝐹 𝑚𝑠) đã được bao gồm trong công suất lên dốc.
Không nên chọn động cơ có công suất 𝑃 = 99(𝐾𝑤) do có tổn thất trong quá trình truyền tải điện đến các bánh xe Vì vậy, công suất cơ học cần thiết để điều khiển xe phải được xác định một cách chính xác.
Trong đó, ƞ là hiệu suất của hệ thống truyền động ở đây ta chọn hiệu quả của chuyển tải điện là 0,9
0,9 = 103014.56 (𝑤) = 103(𝐾𝑤) Như vậy để minh họa lựa chọn công suất cho xe điện có tải trọng là 2590kg với
Với góc dốc là 20°, ta chọn động cơ có công suất là P 0 (Kw)
* Vận tốc góc: vận tốc góc của xe điện với bán kính có kích thước 0,6 (m) ở tốc độ là 40km/h:
* Mô-men xoắn: Mô-men xoắn do máy tạo ra là một hàm của tốc độ góc với bánh xe và công suất đầu ra được xác định:
Dựa trên thông số của xe điện như vận tốc và khối lượng, mô hình điều khiển motor BLDC được thiết kế với hệ công suất thu nhỏ tương thích Các thông số được lựa chọn cụ thể để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho xe điện.
Tốc độ động cơ cho mô hình là 3000rpm đến 5000rpm, do đó cần thiết lập lại tỷ số truyền và lựa chọn động cơ phù hợp cho xe điện.
Ta chọn tỷ số truyền i = 6,194
→ 𝑇 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 675,476 𝑁𝑚 Theo công thức mối liên hệ giữa công suất và momen, ta có:
Ta có bảng thông số mô hình với tỷ lệ thu nhỏ là 3753 lần
Bảng 4.2: Thông số mô hình
Như vậy theo tính toán công suất cho mô hình xe điện ở trên thì công suất cần thiết để xây dựng mô hình được xác định:
=> Như vậy theo các thông số đã tính toán cho mô hình thì mô hình có thể chọn động cơ có công suất cực đại 60w với vòng quay 3000rpm.
Thiết kế mô hình
4.2.1 Sơ đồ tổng quát Để có cái nhìn trực quan hơn về mô hình, về các linh kiện, về cách đấu dây của hệ thống này, nhóm có thiết kế một giao diện giúp người xem thấy rõ được những thứ được thắc mắc như dây được đấu như nào, gồm có những linh kiện nào, nó là gì, … Đây là những linh kiện chính góp phần vận hành hệ thống, ngoài ra còn có thiết bị hiển thị tốc độ, hiển thị điện áp của phanh tái sinh còn chưa được liệt kê
Lưu ý rằng cách đấu dây của mô hình chỉ mang tính tham khảo; các chân linh kiện kết nối với Arduino sẽ phụ thuộc vào mã lập trình đã được thiết lập trước đó Do yêu cầu về tính thẩm mỹ trong hiển thị, có thể xảy ra sai sót trong việc mắc chân.
Hình 4.3: Sơ đồ đấu dây
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển
4.2.2.1 Mạch xử lý trung tâm
Arduino Mega hoạt động như ECU, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và cảm biến Hall của động cơ để điều chỉnh các chế độ hoạt động Đồng thời, module này còn hiển thị tốc độ của động cơ thông qua module 4 LED 7 đoạn.
4.2.2.2 Module nhận tín hiệu điều khiển
- Công tắc 2 chế độ: Nhận biết tài xế điều khiển xe tiến, lùi, hoặc số trung gian
- Biến trở: Nhận tín hiệu vị trí chân ga
- Nút nhấn (đỏ): Nhận lệnh điều khiển tương ứng với phanh
- Nút nhấn (trắng): Nhận lệnh điều khiển tương ứng với chạy bình thường
Hình 4.4: Mạch xử lý trung tâm
Hình 4.5: Module nhận tín hiệu điều khiển
4.2.2.3 Module điều khiển động cơ
Gồm 2 BTS7960b, là module gồm 4 cầu H, trong đó sử dụng 3 cầu H điều khiển tín hiệu 3 pha động cơ
Gồm 6 diot 3A và 1 tụ để lọc nguồn, có chức năng là chỉnh lưu dòng điện từ 3 pha thành 1 pha
Hình 4.6: Module điều khiển động cơ
4.2.2.6 Module tạo tải thu hồi năng lượng tái sinh
Bóng đèn 18W được sử dụng để tạo tải tiêu thụ cho phanh tái sinh, kết hợp với một con mosfet để điều khiển tín hiệu hoạt động của phanh Hệ thống còn được trang bị module LED hiển thị điện áp khi phanh tái sinh hoạt động.
Hình 4.8: Module tạo tải thu hồi năng lượng tái sinh
Lưu đồ thuật toán
Sau khi thiết lập sơ đồ thuật toán để xác định các đối tượng cần điều khiển và các giá trị cần xuất, nhóm thực hiện đã tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán Điều này nhằm lập trình điều khiển các đối tượng trong mô hình và hiển thị các giá trị theo yêu cầu.
Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật cho lập trình điều khiển động cơ
Mô hình hoàn thiện
Đế để đặt các chi tiết nhóm được làm từ mica và khối chân đế in 3D, mang lại cho mô hình vẻ ngoài sạch sẽ và tinh tế.
Thử nghiệm mô hình
4.5.1 Thử nghiệm với các chế độ xe điện bằng phương pháp thực nghiệm
Mô hình động cơ BLDC sẽ thực hiện các chế độ như:
- Chạy tốc độ không đổi (tiến, lùi) trên đường bằng
- Chạy tốc độ tăng (giảm) dần trên đường bằng
- Chạy lên (xuống) dốc Ở đây mô hình tạo tải gồm 3 chế độ chính:
Phanh tái sinh sẽ không được đề cập trong mục trên vì nó sẽ được kích hoạt ngay lập tức dựa trên các điều kiện đã được lập trình giống như trong thực tế.
Hình 4.10: Mô hình thực tế
Chạy tốc độ không đổi (tiến, lùi) trên đường bằng
Khi điều khiển động cơ ở tốc độ 3150, lực sinh ra khi tạo tải là 118, và lực này sẽ duy trì không đổi trong suốt quá trình điều khiển nếu các yếu tố được thiết lập sẵn Tương tự, khi động cơ hoạt động ở chế độ chạy lùi, lực sinh ra cũng giữ nguyên theo tốc độ tương ứng.
Trong quá trình giảm tốc độ đột ngột về 0, động cơ sẽ tạo ra tải kéo và giảm dần vận tốc cho đến khi dừng lại Phanh tái sinh được kích hoạt để hấp thụ điện năng và hỗ trợ quá trình dừng xe Tuy nhiên, do đường bằng phẳng, lực cản từ phanh tái sinh lớn, dẫn đến lượng điện sinh ra trong quá trình này không đáng kể, gây ra tình trạng điện áp đo được không có.
Hình 4.11: Lực (trái) và tốc độ động cơ (phải) trên đường bằng phẳng
Hình 4.12: Phanh tái sinh hoạt động
Trong mô hình này, để kích hoạt phanh tái sinh, ngoài việc giảm tốc độ xuống 0, người lái có thể sử dụng thắng điện (nút màu đỏ) để phanh động cơ Sau khi phanh, động cơ không thể hoạt động ngay lập tức mà cần phải đạp ga lại, tương tự như khi lái xe thông thường Khi nhấn nút màu trắng, ga sẽ hồi lại, giúp quá trình lái xe thực tế hơn và tránh tình trạng ga tự động bật lên sau khi phanh, điều này có thể gây khó khăn trong quá trình thực nghiệm.
Chạy tốc độ tăng (giảm) dần trên đường bằng
Khi tốc độ của xe tăng hoặc giảm liên tục, moment cũng sẽ thay đổi tương ứng Khi thực hiện phanh hoặc giảm ga, hệ thống phanh tái sinh hoạt động tương tự như đã được mô tả ở mục 1.
Khi mô hình tải được điều chỉnh chế độ lên dốc, ở trường hợp này được chia làm 2 trường hợp khác
Hình 4.13: Nút phanh (đỏ) và ga (trắng)
Khi động cơ đạt tốc độ từ 450 đến 2700 vòng/phút, nó sẽ tạo ra lực đủ mạnh để vượt qua lực cản của tải, cho phép xe leo lên dốc với lực sinh ra từ 122 đến 200N.
Vì thế tốc độ từ 450 trở về sẽ bị tải kéo xuống dốc
Phanh tái sinh được kích hoạt để hãm động cơ trong quá trình xe bị kéo xuống do trọng lực và các lực khác Tuy nhiên, khi tải trọng lớn hơn lực phanh tái sinh, xe vẫn tiếp tục bị kéo xuống dốc.
Khi mô hình tải được điều chỉnh ở chế độ xuống dốc, động cơ trở nên đơn giản hơn Khi động cơ đạt tốc độ từ 1 trở lên, lực sinh ra sẽ dao động từ -197 đến -200.
Hình 4.14: 4 led 7 đoạn hiển thị lực (trái) và tốc độ động cơ (phải)
Hình 4.15: Hiển thị lực khi động cơ xuống dốc
Chúng ta tận dụng độ dốc để tạo ra điện tái sinh bằng cách giảm ga về 0, cho phép lực quán tính từ độ dốc sinh ra năng lượng điện.
Khi tốc độ xe vượt quá mức yêu cầu mà người điều khiển không đạp ga, phanh cơ sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc giảm tốc độ, đảm bảo an toàn cho người lái.
Sự chuyển đổi qua các chế độ tải
Chọn tốc độ ở 1200 làm tiêu chuẩn
Hình 4.16: Điện áp sinh ra từ phanh tái sinh có qua tải
Hình 4.17: Lực (trái) và tốc độ động cơ (phải) trên đường bằng
Sau khi từ xuống dốc lên lại đường bằng lại thì tốc độ và lực như cũ.
Hình 4.19: Lực (trái) và tốc độ động cơ (phải) khi từ đường bằng lên dốc
Hình 4.18: Lực (trái) và tốc độ động cơ (phải) khi xuống dốc