Điều khiển hệ truyền động điện dùng sensor ó độ phân giải thấp

Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một nhược đ ểm lớn là rất khó ixác định được tốc độ chính xác củ động cơ trong khoảng thời gian giữa hai a xung liên tiếp.. Luận văn bao gồm các n

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

******************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đ Ề I U KHI N H TRUY N ĐỘNG I N DÙNG SENSOR Ể Ệ Ề Đ Ệ

CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP

MÃ SỐ:

NGHIÊM XUÂN TOÀN

Người hướng dẫn khoa học

TS TẠ CAO MINH

Hà Nội - 2008

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ O TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

******************

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP

Đ Ề I U KHI N H TRUY N ĐỘNG I N DÙNG SENSOR Ể Ệ Ề Đ Ệ

CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP

NGHIÊM XUÂN TOÀN

MỤC LỤC

MỤC LỤC ………1

LỜI NÓI ĐẦU ……….4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SENSOR TỐC ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ……… 6

1.1 Giới thiệu chung về sensor tốc độ ……… 6

1.1.1 Giới thiệu chung ……… 6

1.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ ả b n của encoder, LED và lỗ ……… 7

1.2 Các phương pháp tính toán tốc độ trực tiếp ……… 7

1.2.1 Phương pháp chênh lệch số ……… 8

1.2.2 Đếm xung đồng hồ giữa các xung Encoder ……… 9

1.2.3 Sự ế k t hợp hai phương pháp……… 10

CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ M T CHI U KHÔNG CH I THAN……….12 Ộ Ề Ổ 2.1 Giới thiệu chung về động c m t chiều không chổi than……….12 ơ ộ 2.1.1 Giới thiệu chung……… 12

2.1.2 Cấu trúc chung của động cơ ộ m t chiều không chổi than……… 13

2.1.2.1 Cấu trúc cơ ả b n của động cơ ộ m t chiều dùng chổi than……… 24

2.1.2.2 Cấu trúc của động c mộơ t chi u không ch i than….………… 15 ề ổ 1.Stator……….15

2.Rotor……… 15

3.Các cảm biến Hall……….17

4.Chuyển mạch đ ệi n tử………19

2.1.3 Một số đặc i m về đ ệđ ể i n của động cơ BLDC……… 20

2.1.3.1 Thứ ự t chuyển mạch……….20 2.1.3.2 Đặc tính cơ ủ c a d ng c BLDC……… 25 ộ ơ

2.1.3.3 Sức phả đ ện i n động – Back EMF……….26

2.2 Lựa chọn động cơ cho các ứng dụng………27

2.2.1 Yêu cầu về momen lớn nh t – Mấ P………27

2.2.2 Yêu cầu về momen trung bình – MRMS……….27

2.2.3 Dả đ ềi i u chỉnh tốc độ………28

2.3 So sánh động cơ BLDC với một số loại động cơ khác……….29

CHƯƠNG III MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN……… ………….32

3.1 Các mô tả toán học của động cơ một chiều không chổi than……… 32

3.1.1 Mô hình toán học……….32

3.1.2 Momen đ ệi n từ……….34

3.1.3 Phương trình động học của động cơ BLDC……….35

3.2 Xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ ột chiều không chổi than.….… ……… 35 m 3.3 Sơ đồ c u trúc của động cơ BLDC……… 37 ấ CHƯƠNG IV T ỔNG HỢP CÁC BỘ Đ ỀU CHỈNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG I ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN………39

4.1 Mô hình hệ thống i u khiển động cơ BLDC……… 39 đ ề 4.1.1 Mô hình 1 pha của động cơ ộ m t chiều không chổi than……… 39

4.1.2 Mô hình hệ thống đ ềi u khiển 1 pha động cơ BLDC……….41

4.2 Tổng hợp các bộ đ ề i u chỉnh của động cơ BLDC……… 41

4.2.1 Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ đ iều khiển 43

4.2.1.1 Khối bộ biến đổi……… 43

4.2.1.2 Khâu đo dòng đ ệi n – phản hồi dòng……….44

4.2.1.3 Khâu đo tốc độ - phản h i tồ ốc độ……….44

4.2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ……….47

4.3 Bộ chuyển đổi góc quay c a động cơ……… 49 ủ CHƯƠNG V XÂY DỰ NG B QUAN SÁT TỐ Ộ C ĐỘ CHO ĐỘNG C M T CHIỀU Ơ Ộ KHÔNG CHỔI THAN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG… ……… 50

5.1 Phương pháp ước lượng tốc độ dùng sensor tốc độ có độ phân giải thấp….50 5.1.1 Giới thiệu chung về phương pháp……….50

5.1.2 Nguyên tắc hoạt động……… 53

5.2 Xây dựng bộ quan sát tốc độ liên tục………57

5.3 Mô phỏng vớ đi áp ng dạứ ng nhảy c p cho hấ ệ thống i u chỉnh………… 62 đ ề 5.3.1 Mô phỏng hoạt động dùng Encoder (độ phân giải 256)…… …….65

5.3.2 Mô phỏng hoạt động dùng cảm biến biến Hall……….69

KẾT LUẬN……….75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 76

PHỤ LỤC…….……… 77

Abstract:

According to recent developments in digital signal processor (DSP) technology, high frequency DSPs are widely use as controller in various system Conversely, low-resolution encoders are still widely used, especially for traction system, such as rolling stocks, electric vehicles, etc The accuracy remarkably degrades at low speed, where the encoder pulses cannot be detected at every control period The mentioned problems can be generally said that the controlling speed is faster than the sensing speed

To solve this problem, a Instantaneous Speed Observer with dual sampling rates has been proposed to estimate the information between encoder’s pulses The principle of the Instantaneous Speed Observer is to estimate the state variables at every sampling period and to correct the error of estimation when an encoder pulse, which contains actual value, is detected

Brushless DC Motor is one kind of permanent magnet synchronous motor, having permanets on the rotor and trapezoidal shape back EMF These Brushless

DC Motor are generally controlled using a three-phase inverter, requiring a rotor position sensor for starting and for providing the proper commutation sequence

to control the inverter These position sensors can be Hall sensors, resolvers, or absolute position sensors

This Master thesis use Instantaneous Speed Observer to control Brushless

DC Motor Simulation is executed and experimental control circuits are also given

Luận văn “Đ ềi u khiển h truyệ ền động iđ ện dùng sensor có độ phân giải thấp” có tổng cộng 5 chương

Trong chương đầu tiên, luận văn đề cập đến sensor t c độ và các phương ốpháp ước lượng tốc độ

Trong chương 2, luận văn trình bày về ấ c u trúc cơ bản c a đối tượng i u ủ đ ềkhiển là động cơ một chi u không chổề i than, tìm hi u nguyên t c ho t động c a ể ắ ạ ủcảm biến Hall và so sánh động cơ một chi u không ch i than vớề ổ i các lo i động ạ

cơ khác

Trong chương 3, luận văn trình bày về mô hình toán học và xây dựng sơ

đồ cấu trúc c a ng cơ ộủ độ m t chi u không chổi than ề

Trong chương 4, luận văn trình bày về mô hình hệ thống đ ềi u khiển và

tổng hợp các bộ đ ều chỉnh hệ truyền ng i độ động cơ ộ m t chi u không ch i than ề ổ Trong chương 5, luận v n să ử dụng các k t qu đạt được trong 4 chương ế ả

đầ đểu xây dựng mô hình mô phỏng ho t động c a động c mộạ ủ ơ t chi u không ề

chổi than Trong chương này đã xây dựng được bộ quan sát tố độ liên tụ để c c xác định tốc độ động cơ chính xác hơn

Trong thời gian tới, tác giả luận văn sẽ ếp tục nghiên cứu, để hoàn thiện ti

hơn nữa hệ thống iđ ều khiển khiển động cơ một chi u không ch i than s dụng ề ổ ử

bộ quan sát tốc độ liên tục

Tôi xin cam đoan Lu n v n t t nghi p “ i u khi n h truy n ng ậ ă ố ệ Đ ề ể ệ ề độ đ ệi n dùng sensor có độ phân giải thấp ” là do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn c a ủThầy giáo TS Tạ Cao Minh, Bộ môn Tự động hóa XNCN – Đại học Bách Khoa

Hà Nội Các số liệu và kết qu trong luận văn hoàn toàn trung thực ả

Học viên

MỤC LỤC

MỤC LỤC ………1

LỜI NÓI ĐẦU ……….4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SENSOR TỐC ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ……… 6

1.1 Giới thiệu chung về sensor tốc độ ……… 6

1.1.1 Giới thiệu chung ……… 6

1.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ ả b n của encoder, LED và lỗ ……… 7

1.2 Các phương pháp tính toán tốc độ trực tiếp ……… 7

1.2.1 Phương pháp chênh lệch số ……… 8

1.2.2 Đếm xung đồng hồ giữa các xung Encoder ……… 9

1.2.3 Sự ế k t hợp hai phương pháp……… 10

CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ M T CHI U KHÔNG CH I THAN……….12 Ộ Ề Ổ 2.1 Giới thiệu chung về động c m t chiều không chổi than……….12 ơ ộ 2.1.1 Giới thiệu chung……… 12

2.1.2 Cấu trúc chung của động cơ ộ m t chiều không chổi than……… 13

2.1.2.1 Cấu trúc cơ ả b n của động cơ ộ m t chiều dùng chổi than……… 24

2.1.2.2 Cấu trúc của động c mộơ t chi u không ch i than….………… 15 ề ổ 1.Stator……….15

2.Rotor……… 15

3.Các cảm biến Hall……….17

4.Chuyển mạch đ ệi n tử………19

2.1.3 Một số đặc i m về đ ệđ ể i n của động cơ BLDC……… 20

2.1.3.1 Thứ ự t chuyển mạch……….20 2.1.3.2 Đặc tính cơ ủ c a d ng c BLDC……… 25 ộ ơ

2.1.3.3 Sức phả đ ện i n động – Back EMF……….26

2.2 Lựa chọn động cơ cho các ứng dụng………27

2.2.1 Yêu cầu về momen lớn nh t – Mấ P………27

2.2.2 Yêu cầu về momen trung bình – MRMS……….27

2.2.3 Dả đ ềi i u chỉnh tốc độ………28

2.3 So sánh động cơ BLDC với một số loại động cơ khác……….29

CHƯƠNG III MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN……… ………….32

3.1 Các mô tả toán học của động cơ một chiều không chổi than……… 32

3.1.1 Mô hình toán học……….32

3.1.2 Momen đ ệi n từ……….34

3.1.3 Phương trình động học của động cơ BLDC……….35

3.2 Xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ ột chiều không chổi than.….… ……… 35 m 3.3 Sơ đồ c u trúc của động cơ BLDC……… 37 ấ CHƯƠNG IV T ỔNG HỢP CÁC BỘ Đ ỀU CHỈNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG I ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN………39

4.1 Mô hình hệ thống i u khiển động cơ BLDC……… 39 đ ề 4.1.1 Mô hình 1 pha của động cơ ộ m t chiều không chổi than……… 39

4.1.2 Mô hình hệ thống đ ềi u khiển 1 pha động cơ BLDC……….41

4.2 Tổng hợp các bộ đ ề i u chỉnh của động cơ BLDC……… 41

4.2.1 Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ đ iều khiển 43

4.2.1.1 Khối bộ biến đổi……… 43

4.2.1.2 Khâu đo dòng đ ệi n – phản hồi dòng……….44

4.2.1.3 Khâu đo tốc độ - phản h i tồ ốc độ……….44

4.2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ……….47

4.3 Bộ chuyển đổi góc quay c a động cơ……… 49 ủ CHƯƠNG V XÂY DỰ NG B QUAN SÁT TỐ Ộ C ĐỘ CHO ĐỘNG C M T CHIỀU Ơ Ộ KHÔNG CHỔI THAN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG… ……… 50

5.1 Phương pháp ước lượng tốc độ dùng sensor tốc độ có độ phân giải thấp….50 5.1.1 Giới thiệu chung về phương pháp……….50

5.1.2 Nguyên tắc hoạt động……… 53

5.2 Xây dựng bộ quan sát tốc độ liên tục………57

5.3 Mô phỏng vớ đi áp ng dạứ ng nhảy c p cho hấ ệ thống i u chỉnh………… 62 đ ề 5.3.1 Mô phỏng hoạt động dùng Encoder (độ phân giải 256)…… …….65

5.3.2 Mô phỏng hoạt động dùng cảm biến biến Hall……….69

KẾT LUẬN……….75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 76

PHỤ LỤC…….……… 77

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nhiều n m tr lạ đă ở i ây, s phát tri n c a các l nh v c công nghi p, ự ể ủ ĩ ự ệ

t ự động hóa đã kéo theo hệ quả là ngành i u khi n cũng phát triển m nh mđ ề ể ạ ẽ, đặc biệt là đ ềi u khi n chính xác M i phương pháp i u khi n đều có u nhược ể ỗ đ ề ể ư

đ ểi m riêng, và có các l nh v c ng d ng khác nhau Lu n v n này đề cập đến ĩ ự ứ ụ ậ ăphương pháp đ ềi u khiển dùng sensor có độ phân giải thấp và ứng dụng phương pháp này cho việ đc iều khiển động cơ một chi u không ch i than v i vi c coi ề ổ ớ ệcác cảm biến Hall gắn trong động cơ như là một encoder có độ phân giải thấp Phương pháp đ ềi u khiển truyền động dùng sensor t c độ có độ phân giải ố

thấp có rất nhiề ư đ ểu u i m đặc biệt là trong trường h p phợ ạm vi đ ềi u chỉnh tốc độ

rộng Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một nhược đ ểm lớn là rất khó ixác định được tốc độ chính xác củ động cơ trong khoảng thời gian giữa hai a xung liên tiếp Vì vậy, yêu cầu bức thiết đặt ra là phải giải quyết được vấn đề này

Luận văn bao gồm các nội dung chính được chia làm 5 chương như sau:

- Chương I: Tổng quan về sensor tốc độ và phương pháp ước lượng tốc độ

- Chương II: Động cơ một chiều không chổi than

- Chương III: Mô hình toán học và đặc tính cơ của động c mộơ t chi u ềkhông ch i than ổ

- Chương IV: Tổng hợp các bộ đ ều chỉnh hệ truyền độ i ng động cơ một chiều không chổi than

- Chương V: Xây dựng bộ quan sát tốc độ cho động cơ một chi u không ềchổi than và mô phỏng hệ thống

Tác giả xin trân trọng c m n sả ơ ự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của Thầy giáo Tiến sĩ Tạ Cao Minh – B môn T động hóa XNCN – Trường Đại h c ộ ự ọBách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa XNCN – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nộ đã tạo đ ềi i u kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu của tác giả Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong công tác nghiên c u nh ng ứ ưkết quả vẫn còn nhiều hạn chế do thời gian nghiên cứu có hạn, việc tìm kiếm các tài liệu liên quan còn khó khăn Tác gi xin trân trọả ng c m n mọi ý kiến đóng ả ơgóp của các Thầy Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Hà nộ i, ngày 10 tháng 11 n m 2008 ă

Học viên

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SENSOR TỐC ĐỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG

TỐC ĐỘ 1.1 Giới thiệu chung v sensor t ề ốc độ

1.1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các phương pháp

đ ềi u khi n truy n động c ng phát tri n không ng ng v i độ chính xác ngày càng ể ề ũ ể ừ ớcao Một trong các phương pháp tăng độ chính xác là dùng Sensor tốc độ hay Encoder

Mục đích của Encoder là dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động c , ho c bơ ặ ất kì một thiết bị nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm hai loại, absolute encoder và increment encoder Nếu dịch sát nghĩa, absolute encoder nghĩa là encoder tuy t đối, tín hi u nh n ệ ệ ậđược chỉ rõ ràng vị trí c a encoder, chúng ta không c n x lý gì thêm c ng bi t ủ ầ ử ũ ếđược chính xác vị trí c a encoder ủ

Còn incremental encoder là loại encoder chỉ có 1, 2 hoặc tố đi a là 3 vòng

lỗ Ta hình dung như sau, nếu bây giờ đục một lỗ trên một cái đĩa quay thì cứmỗi lần đĩa quay 1 vòng, ta sẽ nhận được tín hiệu và đã biết đĩa quay một vòng Nếu bây giờ nhiều lỗ hơn ta s có được thông tin chi ti t h n, có ngh a là đĩa ẽ ế ơ ĩquay 1/4 vòng, 1/8 vòng hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental encoder

1.1.2 Nguyên lý ho ạ t động c b n củ ơ ả a encoder, LED và l ỗ

Nguyên lý cơ bản c a thi t b là m t đĩa tròn xoay, quay quanh tr c, trên ủ ế ị ộ ụ

đĩa có các lỗ (rãnh) M t đèn Led được dùng chiếu lên mặt đĩộ để a Khi a quay, đĩ

chỗ không có lỗ (rãnh), ánh sáng củ đèn Led không xuyên qua được, chỗ có lỗ, a ánh sáng củ đa èn Led chiếu xuyên qua Phía bên kia của đĩa, có một thiết bị thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, ta có thể ghi nhận được

đèn Led có chi u qua l hay không ế ỗ

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗ ầi l n con m t ắthu nhận được tín hiệ đèn Led, thì có nghĩa là đĩa quay được một vòng u

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của encoder

1.2 Các phương pháp tính toán tốc độ trực tiếp

Thông tin nhận được từ encoder là các xung, nó chứa thông tin về góc và

vị trí Một cách đơn giản để ước lượng tốc độ từ encoder là chia góc và vị trí đạt được cho các khoảng th i gian tương ng Ki u tính toán tr c ti p này có th ờ ứ ể ự ế ểđược chia thành ba phương pháp, đó là:

- phương pháp chênh lệch số (đếm số xung encoder tăng lên)

- đếm số xung đồng hồ giữa các xung

- sự kết hợp của hai phương pháp trên

1( ) ( 1)

độ phân giải của encoder tính b ng radian Chú ý r ng, trong nhi u trường hợp, ằ ằ ề

nó bắt đầu đếm xung khi xung đầu tiên được phát ra, như được chỉ ra trên hình 1.3 Đ ềi u này có nghĩa là thời gian thực tế giữa khoảng đếm và xung đầu

minh họa trên hình 1.4 Sự hạn ch củế a s ph i h p này chính là b gi i h n b i ự ố ợ ị ớ ạ ở

độ phân giải tốc tăđộ ng, nó có th được tính b ng : ể ằ

res res pp

Hình 1.4 Ước lượng tốc độ bằng phương pháp chênh lệch số

1.2.2 Đếm xung đồng hồ giữa các xung Encoder

Một cách thích h p h n để tăợ ơ ng độ phân gi i t c độ là ướ ượả ố c l ng b ng ằcách đếm số xung đồng h giữa các xung encoder, như mồ 3 trên hình 1.3 Phương pháp này thường được th c hiự ện t i tạ ốc độ thấp Nó sử dụng độ phân gi i th i ả ờgian tương đối cao của xung đồng hồ của b vi x lý (kho ng 25-100ns) Đồ th ộ ử ả ị

của phương pháp này được trình bày trên hình 1.5 Sự thực hiện của phương pháp này được đưa bởi :

3

ˆ

res cp

Chú ý rằng độ phân giải tốc độ cho kĩ thuật này không dựa trên khoảng thời gian lấy mẫ đ ều i u khi n c a máy tính, Tể ủ c , nhưng nó dựa trên tốc độ hiện

thời Bởi vậy, cho tốc độ thấp, độ phân giả được tăng lên một cách đáng kể do i

số xung đồng hồ xuất hiện giữa các xung rất lớn

Ngược lại, phương pháp này bị giới hạn tại tốc độ cao Tuy nhiên, mặc dù

độ phân giải tại tốc độ thấp được tăng lên, kho ng th i gian tr là không th ả ờ ễ ểtránh kh i, do tính toán tỏ ốc độ là giá trị trung bình c a các giá tr trước ó ủ ị đ

Hình 1.5 Phương pháp đếm xung đồng hồ

1.2.3 Sự ế k t hợp hai phương pháp

Ý tưởng của ph ng pháp là duy trì độ phân giảươ i trong toàn gi i tốc độ ả

bằng cách kết hợp ưu đ ểm của hai phương pháp trên Tốc độ có thể tính toán ibằng biểu thức sau:

1 2

Độ phân giải có th t được khi xung ng hồ thay i, đó là ểđạ đồ đổ

1.3, nếu khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp l n hớ ơn Tc, m1 trở thành một và

m2 tr thành mở 3 Bởi vậy, (1.7) trở thành (1.5), chỉ ra độ phân giải tốc độ chính xác tại tốc độ th p Nói cách khác, tại tốc độ cao sự chênh lệch giữa Tc và Td là ấ

rất nhỏ và (1.6) gần đúng là (1.1) Tốc độ tính toán bởi vậy gần như giống nhưtrong phương pháp chênh lệch số, nó cung cấp tốc độ chính xác tạ ốc độ cao i tTuy nhiên, giống như trường hợp trước đó, tính toán tốc độ là giá trị trung bình của các giá trị trước đó, thời gian trễ là không thể tránh khỏi

Kết luận:

Chương 1 trình bày sơ lược về sensor tốc độ và các phương pháp tính toán tốc độ trực tiếp Có thể thấy các phương pháp đưa ra đều tồn tại nhược i m là đ ểkhó xác định chính xác tốc độ độ ng c khi dùng sensor tốc độ có độơ phân giải

thấp Yêu cầ đặt ra là xây dựu ng b quan sát tốc độ liên tục nhằm ước lượng ộchính xác hơn tốc độ động cơ khi dùng Encoder có độ phân giải th p ấ

CHƯƠNG II ĐỘNG CƠ M T CHI U KHÔNG CH I THAN Ộ Ề Ổ

Ở chương trước, một số phương pháp ước lượng tốc độ động cơ đã được

đề xuất Chương s 2 s tìm hiểu về cấố ẽ u trúc c a động c mộủ ơ t chi u không ch i ề ổthan, các đặc tính đ ệi n và cơ So sánh động cơ một chi u không ch i than v i ề ổ ớmột số loại động cơ khác Tìm hiểu hoạt động của cảm biến Hall được gắn trên

động cơ nhằ ứm ng dụng chúng nh là m t Encoder có phân giải thấp phụư ộ độ c v ụcho quá trình đ ềi u khiể ởn các chương sau

2.1 Giới thi ệu chung về động cơ ộ m t chiều không chổ i than

2.1.1 Giới thiệu chung

Việc chế tạo động c hi n nay ã tr thành m t ngành công nghiệp phát ơ ệ đ ở ộtriển Các thế hệ động c được s n xu t ra ngày càng a d ng v kích c , hình ơ ả ấ đ ạ ề ỡdáng, chủng loại với những tính năng đặc biệt trong khi giá thành lại giảm khiến cho sản phẩm này được tiêu thụ rất m nh Trước ây, động c thường được bi t ạ đ ơ ếđến với hai loại chủ yếu là động c mộơ t chi u và động c xoay chi u ( động c ề ơ ề ơxoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chi u ng bộ ) Tuy nhiên, sau khi ề đồđộng cơ một chi u không ch i than ra đời thì dường nhưề ổ ranh gi i này ang trở ớ đnên mờ nhạt

Động cơ một chi u không ch i than – Brushless DC Motor ( vi t t t là ề ổ ế ắBLDC Motor, hay là động cơ BLDC ) là một lo i động c đồng b nh ng l i có ạ ơ ộ ư ạ

nh ng ữ đặc đ ểi m rất giống với động cơ một chi u, th m chí, nó được thi t k để ề ậ ế ế

có những đặc tính gi ng nhưố động c mộơ t chi u nh ng l i không có nh ng gi i ề ư ạ ữ ớ

hạn do sự chuyển mạch của chổi than Đây là loại động cơ được sử dụng nhi u ềtrong công nghiệp như trong các thiế ị ụt b , d ng c , các l nh v c t động, k thu t ụ ĩ ự ự ỹ ậhàng không vũ trụ, tiêu dùng, y tế, thiế ị tựt b động hóa công nghi p và các thi t ệ ế

b ị đo đạc Động cơ BLDC có các ưu đ ểm như sau: i

- Đặc tính cơ tốt h n D ng đặc tính c gi ng c a động c mộơ ạ ơ ố ủ ơ t chi u ềthông thường nhưng động cơ BLDC có mômen khởi động cao và tốc

độ không tải lớn hơn

có thể hoạt động trong môi trường dễ cháy nổ

- Động cơ này không gây ra tiếng ồn do chổi than nên nó là một trong những lựa chọn hàng đầu trong các hàng hóa tiêu dùng và các lĩnh v c ựliên quan đến môi trường

- Dải tốc độ rộng vùng t c độỞ ố cao, ng c mộđộ ơ t chi u thường b gi i ề ị ớhạn ở mốc 10.000 vòng/phút trong khi động c BLDC có thểơ đạt t c ố

độ 100.000 vòng /phút

- Thêm vào đó, tỷ số gi a momen và kích thước c a động c khá l n ữ ủ ơ ớ

Đ ềi u này làm cho động c mộơ t chi u không ch i than r t h u ích trong ề ổ ấ ữcác ứng dụng đòi hỏi cao về trọng lượng và không gian

Tuy nhiên, động cơ BLDC cũng tồn tại 2 nhược đ ểi m lớn mà cho đến nay vẫn còn nhiều đề tài nghiên cứu để tìm biện pháp khắc phục:

- Đặc tính momen bị nhấp nhô trong quá trình chuyển mạch c a các van ủ

- Khó khăn trong việc đ ều khiển động cơ ở vùng tốc độ cao trên định imức

2.1.2 Cấu trúc chung củ a động c m t chiều không chổi than ơ ộ

Việc phân tích cấu trúc của động c BLDC sẽ được th c hiơ ự ện thông qua

việc so sánh nó vớ động cơ một chiều sử dụi ng ch i than truy n thống ổ ề

2.1.2.1 Cấu trúc cơ ả b n củ a động c m t chiều dùng chổi than ơ ộ

Động cơ một chi u dùng ch i than đơn gi n bao g m Rotor là một cuộn ề ổ ả ồdây quay trong từ trường tạo ra bởi Stator là một c p nam châm i n Vi c ặ đ ệ ệchuyển mạch trong cuộn dây được thể hiện trong hình 2.1

Khi cuộn dây được cấp

đ ệ i n, m t t trường ộ ừ

xuất hiện xung quanh

rotor Phía bên trái của

rotor bị đẩy ra xa cực

từ bên trái tạo ra

chuyển động quay sang

phải

Rotor tiếp tục quay Khi trục cuộn dây

rotor quay đến vị trí

n ằm ngang, bộ chuyển mạch cơ khí đảo chiều dòng đ ệ i n

do đó mà đảo chiề u

từ trường Quá trình quay tiếp tục

Hình 2.1 Hoạt động củ a động c m t chi u dùng ch i than ơ ộ ề ổ

Theo như trên hình 2.1, khi có một dòng đ ệi n chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi s t non, c nh phía bên cực dương sẽ bịắ ạ tác động b i m t l c ở ộ ựhướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây ra tác động quay lên cuộn dây và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, mộ ột b

cổ góp đ ện sẽ làm chuyển mạch dòng đ ện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ i iVấn đề xảy ra khi tr c c a cu n dây song song v i các đường s c t trường ( ụ ủ ộ ớ ứ ừnằm ngang ) Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 900 so với phương ban đầu của nó Khi đó rotor sẽ quay theo quán tính Trong các máy đ ệi n một chiều lớn, người ta có nhiều quận dây nối ra nhiều phiến góp Nhờ vậy, dòng đ ệi n và lực quay trở nên liên tục và h u nh không b thay đổi theo các v ầ ư ị ị

Một nhược i m l n c a động c này là vi c s dụđ ể ớ ủ ơ ệ ử ng ch i than gây ra ổtiếng n lớn và phải bảo dưỡng định kỳ do chổi than bị mòn trong quá trình sử ồdụng

2.1.2.2 Cấ u trúc c a động c m t chi u không ch i than ủ ơ ộ ề ổ

Động cơ BLDC thay vì dùng chuyển mạch c khí nh trong động c i n ơ ư ơ đ ệmột chiều dùng chổi than, nó sử dụng b i u khi n chuy n m ch i n t V ộ đ ề ể ể ạ đ ệ ử ềmặt cấu trúc, động cơ BLDC có cấ ạu t o hoàn toàn ngược l i so v i động c một ạ ớ ơchiều thông thường Rotor lúc này không còn là cuộn dây mà là một ho c m t s ặ ộ ốcặp nam châm còn Stator được cấu tạo bởi nhiều cuộn dây

1.Stator

Stator của động c BLDC được cấu tơ ạo từ các lá thép kỹ thuật đ ệi n với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator Theo truyền thống, cấu trúc stator của động c BLDC c ng gi ng nh cấu trúc ơ ũ ố ưcủa các động cơ cả ứm ng khác Tuy nhiên, các búi dây được phân b theo cách ốkhác Hầu h t t t cế ấ ả các động cơ một chi u không ch i than có 3 cu n dây đấu ề ổ ộvới nhau theo hình sao Mỗi cuộn dây được cấ ạu t o b i m t sở ộ ố lượng các búi dây nối liền với nhau Các búi dây được đặt trong các khe và chúng được nối li n ềnhau để tạo nên m t cu n dây M i m t trong các cuộộ ộ ỗ ộ n dây được phân b trên ốchu vi của stator theo trình tự thích hợp để t o nên mộ ốạ t s ch n các c c ẵ ự

Sự khác nhau trong cách n i li n các búi dây trong cuộố ề n dây stator t o nên ạ

sự khác nhau của hình dáng sức phản đ ện động ( Back Electromotive Force – iBack EMF) Động cơ BLDC có hai dạng sức phản đ ệi n động là dạng hình sin và

dạng hình thang Đ ều này làm cho momen củi a động c hình sin ph ng h n ơ ẳ ơ

nh ng ư đắt hơn vì phải có thêm các búi dây mắc liên tục

Động cơ một chi u không ch i than thường có các c u hình 1 pha, 2 pha ề ổ ấ

và 3 pha Tương ứng với các loạ đi ó thì stator có số cu n dây là 1, 2 và 3 ộ

Phụ thuộc vào khả năng c p công su t i u khi n, có th ch n động c ấ ấ đ ề ể ể ọ ơtheo tỷ lệ đ ệ i n áp Động c nh hơơ ỏ n ho c b ng 48V được dùng trong máy t ặ ằ ự

động, robot, các chuyển ng nhỏ Các ng cơ trên 100V được dùng trong các độ độthiết bị công nghiệp, t động hóa và các ứng dụng công nghiệp ự

Hình 2.2 Các dạng sức phản điệ n động c a động cơ ủ m t chi u không ch i than ộ ề ổ

2.Rotor

Rotor được cấ ạ ừu t o t các nam châm v nh c u S lượng ôi c c dao động ĩ ử ố đ ự

từ 2 đến 8 với các cực Nam ( S ) và Bắc ( N ) xếp xen kẽ nhau

Dựa vào yêu c u v mật độ từầ ề trường trong rotor, ch t li u nam châm ấ ệthích hợp được chọn tương ứng Nam châm Ferrite thường được sử dụng Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng ph bi n Nam châm ổ ếFerrite rẻ hơn nh ng m t độ thông lượng trên đơn v th tích l i th p Trong khi ư ậ ị ể ạ ấ

đó, v t li u h p kim có mật độ từậ ệ ợ trên đơn v th tích cao và cho phép thu nh ị ể ỏkích thước của rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite

Hình 2.3 Các dạng Rotor của động cơ m t chiều không chổi than ộ

Hiệ ứ u ng Hall: Khi mộ t dòng i n mang m t v t d n được đặt trong m t đ ệ ộ ậ ẫ ộ

từ trường, từ trường sẽ tạ o ra m t l c n m ngang lên các đ ệ ộ ự ằ i n tích chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về mộ t phía c a v t d n S lượng các i n tích bị ủ ậ ẫ ố đ ệ

đẩ y về m t phía s cân b ng với mức ộ ẽ ằ độ ảnh hưởng của từ trường Đ ề i u này d n ẫ đến xuấ t hi n một hiệu đ ệ ệ i n th giữa 2 mặt của vật dẫ ế n S xu t hiện của hiệu ự ấ

đ ệ i n th có kh nă ế ả ng o được này được g i là hi u ng Hall, l y tên người tìm đ ọ ệ ứ ấ

Nam đi qua cảm biến Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ ự tchuyển mạch chính xác được xác định

Hình 2.4 Động cơ m t chiều không chổi than – cấ ộ u trúc n m ngang ằ

Hình 2.4 là mặt cắt ngang của động c mộơ t chi u không ch i than v i ề ổ ớrotor có các nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng yên

của động cơ Việc đặt cảm biến Hall trong stator là quá trình phức tạp vì bất cứmột sự mất cân đối nào s dẫẽ n đến vi c t o ra m t sai s trong vi c xác định v ệ ạ ộ ố ệ ịtrí rotor Để đơn giản quá trình gắn cảm biến lên stator, một vài động cơ có các nam châm phụ của c m bi n Hall được g n trên rotor, thêm vào so v i nam ả ế ắ ớchâm chính của rotor Đây là phiên bản thu nhỏ của nam châm trên rotor Do ó, đmỗi khi rotor quay, các nam châm cảm biến rotor đem lại hiệu ứng tương tự như

của nam châm chính Các cảm biến Hall thông thường được gắn trên mạch in và

c ố định trên nắp y đậ động cơ Đ ều này cho phép người dùng có thể đ ều chỉnh i ihoàn toàn việc lắp ráp cảm biến Hall để căn ch nh v i nam châm rotor, em l i ỉ ớ đ ạ

khả n ng hoă ạ động tố đa t i

Dựa trên v trí v t lý c a c m bi n Hall, có 2 cách đặt c m bi n Các c m ị ậ ủ ả ế ả ế ảbiến Hall có thể được đặt dịch pha nhau các góc 600 hoặc 1200 tùy thuộc vào số

đôi c c D a vào i u này, các nhà sảự ự đ ề n xu t động c định ngh a các chu trình ấ ơ ĩchuyển mạch cần ph i cần thực hiện trong quá trình đ ềả i u khiển động cơ

Chú ý : Các cảm biến Hall cần được cấp nguồn Đ ệi n áp cấp có thể từ 4 đến 24V Yêu cầu dòng t 5 đến 15mA Khi thiết kế bộ đ ềừ i u khi n, c n để ý đến ể ầ

đặc đ ểi m k thu t tương ứỹ ậ ng c a t ng lo i ng cơ biếủ ừ ạ độ để t được chính xác i n đ ệ

áp và dòng đ ệi n của các cảm biến Hall thường là loại open-collector, vì thế, cần

có đ ệi n trở treo ở phía bộ đ ề i u khiển

4.Chuyển mạ ch i n tử đ ệ

ng

Ở động cơ BLDC, dây quấn phần ứng được quấn trên stator là phần đứyên nên có thể ễ d dàng thay thế ộ b chuyển mạch c khí ( trong động c i n m t ơ ơ đ ệ ộchiều thông thường dùng chổi than ) bằng b chuyển mộ ạch iđ ện tử dùng các bóng transistor công suất được i u khiển theo vị trí tương ứng của rotor đ ề

Hình 2.5 Chuyển m ạ ch i đ ệ n t ử ủ c a động cơ BLDC

Về bản ch t, chuy n m ch i n t trong động c BLDC chính là m t b ấ ể ạ đ ệ ử ơ ộ ộnghịch lưu độc lập Tùy thuộc vào số pha của động cơ mà chuyển mạch s có s ẽ ốpha tương ứng Hình 2.5 trình bày chuyển mạch i n t c a động c 3 pha có s đ ệ ử ủ ơ ửdụng 6 bóng MOSFET Q1 đến Q6 cùng với các diode mắc song song với các

van Để iđ ều khiển các van bán dẫn của các chuyển mạch đ ệi n tử, bộ đ ề i u khiển

cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng đ ện itrong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành góp chổi than của động

cơ một chiều thông thường

2.1.3 Một số đặc i m về đ ệ đ ể i n của dộng cơ BLDC

2.1.3.1 Thứ ự t chuyển mạch

Hình 2.6 là một ví d v các tín hi u cụ ề ệ ủa cảm biến Hall tương ứng với sức

ph n ả đ ệi n động của động cơ và dòng đ ệi n pha Hình 2.7 chỉ ra thứ tự chuy n ể

mạch tương ứng với các cảm biến Hall

Cứ mỗi khi quay được 600 iđ ện, một cảm biến Hall lại thay đổi trạng thái Như vậy, có thể ấ th y, nó c n 6 bước để hoàn thành m t chu k i n Đồng th i, ầ ộ ỳ đ ệ ờ

cứ mỗi 600 iđ ện, chuyển mạch dòng i n pha c n được c p nh t Tuy nhiên, đ ệ ầ ậ ậ

cũng chú ý là một chu kỳ đ ện có thể không tương ứng với một vòng quay của irotor về cơ khí S lượng chu kỳ đ ệố i n c n l p l i để hoàn thành m t vòng quay ầ ặ ạ ộ

của động cơ được xác định bởi một cặp cực rotor Do đó, số lượng chu kỳ đ ệ i n trên 1 chu kỳ ơ ằ c b ng số ặ c p cực rotor

Hình 2.6 Tín hi ệu cả m bi n Hall, sức phả đ ệ ế n i n độ ng, momen đầu ra và dòng

đ ệ i n pha

Hình 2.7 Thứ ự ấ đ ệ t c p i n cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến Hall

Hình 2.8 là sơ đồ kh i cố ủa hệ đ ề i u khiển động c Hệ ốơ th ng i u khi n có đ ề ể

sử dụng vi i u khi n làm b i u khi n chính, phát xung PWM cho b đệm đ ề ể ộ đ ề ể ộPWM-IGBT driver

Hình 2.8 Hệ đ ề i u khi ển động cơ ộ m t chiều không chổ i than

Bảng 1.1 và 1.2 là th tựứ chuy n m ch c a các van d a trên các đầu vào ể ạ ủ ự

từ các cảm biến Hall A, B, C ứng với chiều quay của động cơ Trong đó, các cảm biến Hall đặt lệch nhau 600

Bảng 2.2.Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

giảm theo Mộ đ ểt i m thuận lợi của PWM là nế đ ệu i n áp cấ ớp l n h n i n áp định ơ đ ệ

mức của động cơ, động cơ có thể được đ ều khiển bằng cách hạn chế tỷ lệi ph n ầtrăm của duty cycle của PWM để tương ứng với đ ện áp định mứi c c a động c ủ ơ

Đ ềi u này làm cho b i u khi n s uy n chuy n h n khi làm vi c v i các động ộ đ ề ể ẽ ể ể ơ ệ ớ

cơ có đ ện áp định mức khác nhau i

i

Đ ều khiển động cơ một chi u không ch i than có nhi u cách khác nhau ề ổ ề

Nếu tín hiệu PWM bị giới hạn trong vi đ ều khiển, nhóm van phía trên có thể i

được bật trong toàn b th i gian ứộ ờ ng v i th tựớ ứ chuy n m ch, trong khi ó, ể ạ đnhóm van dưới có thể được i u khiển theo chế độđ ề làm việc yêu cầu c a PWM ủ

2.1.3.2 Đặc tính cơ của dộng cơ BLDC

Đặc tính cơ của động c mộơ t chi u không ch i than có d ng gi ng v i ề ổ ạ ố ớđộng cơ một chi u thông thường Có hai thông s vềề ố momen đặc tr ng cho động ư

cơ một chi u không ch i than: momen l n nh t ( momen đỉnh : peak torque – Tề ổ ớ ấ p) và momen định mức ( Rated torque – TR ) Trong suốt quá trình hoạt động liên

tục, momen động cơ có thể đạ địt nh mức Trong động cơ một chi u không ch i ề ổthan, momen được giữ là định mức trong d i t c độ nh hơả ố ỏ n t c độ định m c ố ứ

Động cơ có th đạt t c độ l n nh t b ng 150% t c định mứể ố ớ ấ ằ ố độ c nh ng ng thời ư đồmomen cũng sẽ ắ b t đầu giảm

Hình 2.9 Đường đặ c tính c ơ ủ c a động c BLDC ơ

Trên thực tế, có nhi u ng d ng òi h i động c thường xuyên kh i động ề ứ ụ đ ỏ ơ ở

và dừng hoặc đảo chiều quay của động cơ khi có tải Các ứng dụng này luôn yêu cầu một lượng momen lớn hơn momen định mức Yêu cầu này xuất phát từ thực

tế của th i gian ho t động ng n h n, đặc bi t là khi động c kh i động t tr ng ờ ạ ắ ạ ệ ơ ở ừ ạthái đứng yên và diễn ra trong suốt quá trình gia tốc c a động c Trong su t quá ủ ơ ốtrình này, ứng d ng phụ ải bổ sung momen để thắng được lực quán tính c a t i và ủ ảcủa chính bản thân rotor Việc cấp momen này không thể diễn ra liên tục trong khoảng thời gian dài mà phải thực hiện trong chế độ ngắn hạn lặp lại Do đó,

vùng momen trên định mức còn được gọi là vùng momen không liên tục Động

cơ BLDC có thể đáp ứng lượng momen lớn hơn momen định mức và thậm chí là momen đỉnh, miễn là quá trình đ ềi u khiển ph i bám theo đường đặc tính cơ ả Phương pháp tính toán để lập ra phương trình đặc tính c cũơ ng nh để vẽ ưlên đường đặc tính cơ của động cơ BLDC sẽ được trình bày kĩ hơn trong chương sau

2.1.3.3 Sức phả đ ệ n i n động – Back EMF

Khi động cơ một chi u không ch i than quay, m i mộề ổ ỗ t cu n dây t o ra ộ ạ

một đ ện áp gọi là sức phản đ ện động chống lại đ ện áp nguồn cấp cho cuộn dây i i i

đó theo lu t Lenz Chi u c a s c ph n i n động này ngược chi u v i i n áp ậ ề ủ ứ ả đ ệ ề ớ đ ệ

cấp Sức phản đ ện động phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: i

- Vận tốc góc của rotor

- Từ trường tạo bởi nam châm của Rotor

- Số vòng trong mỗi cuộn dây của stator

Trong đó:

N : số vòng dây trên m i pha ỗ

l : chiều dài rotor

r : bán kính trong của rotor

B : mật độ t trường rotor ừ

ω : vận tốc góc của động cơ Trong động cơ BLDC, t trường rotor và số vòng dây stator là các thông ừ

số không đổi Chỉ có duy nhất một thống số ảnh hưởng đến sức phản đ ện đội ng

là vận tốc góc hay vận tốc của rotor và khi vận tốc tăng, sức phả đ ện i n động cũng tăng Trong các tài liệu kĩ thuật của động cơ có đưa ra một thông số gọi là hằng số sức ph n i n động có th được s dụả đ ệ ể ử ng để ướ ược l ng s c ph n i n ứ ả đ ệ

động ứng v i tốc nhất định ớ độ

2.2 L ựa chọ n động c cho các ứ ơ ng d ụng

Việ ực l a ch n động c phù h p v i yêu c u đặt ra là r t quan tr ng Vi c ọ ơ ợ ớ ầ ấ ọ ệlựa chọn động cơ dựa vào đặc tính t i Có 3 thông s chính nh hưởng t i vi c ả ố ả ớ ệlựa chọn

- Momen lớn nhất ( peak torque ) cần cho ứng dụng

- Momen trung bình bình phương ( root mean square – RMS ) yêu cầu

- Dải đ ều chỉnh tốc độ i

2.2.1 Yêu cầu v momen l n nh ề ớ ất – M P

Momen lớn nh t hay momen đỉnh c n cho ng d ng có th được tính ấ ầ ứ ụ ểbằng tổng của momen tải – MC, momen quán tính – MJ, và momen cần thiết để

th ng ắ được lực ma sát – Mf

Trên thực tế, vẫn còn có một số yếu t tác động đến các yêu c u đối v i ố ầ ớmomen đỉnh Ví dụ như tổn hao khe h do i n tr không khí trong khe h ở đ ệ ở ở ởgiữa rotor và stator Các thông số này rất phức tạp và khó tính toán Do đó, luôn luôn phải tính thêm lượng momen dự trữ khoảng 20% khi tính toán

Momen quán tính là momen để gia tốc cho tải tr ng t thọ ừ ời đ ểi m động cơ

đứng yên hoặ ừ ờc t th i đ ểi m t c độ th p lên tốc cao Nó có thể được tính thông ố ấ độqua quán tính tải, bao gồm quán tính rotor và gia tốc tải

Trong đó: JC + J : tổng của quán tính tải và rotor

α : gia tốc yêu cầu Momen tải và momen ma sát được xác định dựa vào hệ thống cơ khí Thông thường, các thông số liên quan sẽ do nhà sản xuất cung cấp

Momen trung bình phụ thu c vào nhiều y u tộ ế ố: momen l n nh t MP, ớ ấmomen tải MC, momen quán tính MJ, momen ma sát Mf, gia tốc và giảm tốc,

thời gian hoạ động t

Công thức 2.4 để tính momen trung bình bình phương cần thiết cho ng ứdụng thông thường, trong đó, tA là thời gian tăng tốc, tR là thời gian hoạt động và

tD là thời gian giảm tốc

của động cơ cao hơn tốc độ trung bình Hình 2.10 là dạng đường đặc tính tốc độhình thang Đây là một dạng đặc tính phổ ến, trong đó, tố bi c độ trung bình th p ấhơn tốc độ hoạt động của động cơ

Khi tính toán, để đảm bảo an toàn cho động cơ cũng nh các ng d ng, ư ứ ụviệc thêm 10% độ dự trữ là cần thiết

cảm biến Hall

Chuyển mạch dùng chổi than

Bảo dưỡng Ít hơn và không có chổi

than

Có bảo dưỡng định kỳ

Thời gian làm

việc

Đặc tính cơ Phẳng – Cho phép hoạt

động trên toàn dải tốc độ

Gần phẳng - Ở tốc độ cao, ma sát gây ra bởi chổi than và vành góp tăng, làm giảm momen hữu ích

Hiệu suất Cao, do không có đ ệi n áp

rơi trên chổi than

Động cơ BLDC có các cu n ộdây stator gắn trên vỏ động

cơ nên khả năng tỏa nhiệt cao

Vừa phải/thấp Nhiệt sinh ra từ

ph n ng ầ ứ được tỏa ra khe hở và làm nóng khe hở Đ ề i u này làm

giới hạn tỷ lệ công suấ đầt u ra/kích thước

Quán tính

Rotor

Thấp Do nam châm gắn trên Rotor Đ ềi u này làm

tăng phản ứng cơ của động

Nhiễu đ ệ i n Thấp Chổi than và vành góp khi hoạt

đ ềi u khi n, động c s ể ơ ẽkhông chạy

Nếu hoạt động ở tốc độ không

đổ đội, ng cơ không c n bộ đ ềầ i u khiển B i u khiển chỉ cần thiếộ đ ề t khi thay đổi tốc độ

Đặ c đ ể i m Độ ng cơ BLDC Độ ng cơ không đồng b ộ

Lớn Vừa phải Do cả stator và rotor

đều có cuộn dây nên t l này ỷ ệ

Rất cao, có thể lên tới 7 lần nh đị

mức Cần giới hạn dòng đ ện i

kh i ở động Thông thường sử dụng mạch khởi động Sao – Tam

Yêu cầu về

đ ề i u khi n ể

Cần bộ đ ều khiển để duy trì i

ho t ạ động của động cơ và thay đổi tốc độ

Không cần bộ đ ề i u khiển n u tế ốc

độ không đổi Chỉ khi có yêu c u ầthay đổi tốc độ, b i u khi n ộ đ ề ểmới được sử dụng

Độ trượt Không có độ trượt giữa tần

số rotor và stator

Tần số của rotor luôn thấp hơn tần số của stator Chênh lệch đó gọi là tần số trượt Tần số trượt tăng theo tải trên động cơ

K ết luận:

Chương 2 trình bày sơ lược về động c mộơ t chi u không ch i than g m ề ổ ồ

cấu trúc, một số khái niệm về các thông số đ ện của động cơ, các yêu cầu cần ithiết khi lựa chọ động cn ơ và ưu nhược đ ểi m củ động cơ BLDC so vớa i m t s ộ ố

lo i ạ động cơ khác Có thể thấy, ngoại trừ các nhược đ ểi m về giá cả và độ phức

tạp trong đ ều khiển, động cơ BLDC là mội t lo i động c phù h p v i r t nhi u ạ ơ ợ ớ ấ ềyêu cầ đu òi h i độ chính xác và yêu cầu momen cao Nó có thể thỏa mãn các ỏ

ứng d ng t d i công su t th p cỡụ ừ ả ấ ấ vài Watt đến công su t l n c vài tr m kW Vì ấ ớ ỡ ăvậy, động cơ BLDC đang trở nên ngày càng phổ biến trong cả dân dụng và công nghiệp

CHƯƠNG III

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

3.1 Các mô tả toán học của động c ơ ộ m t chi ều không chổi than

Mô hình toán học c a m t đối tượng là m t hàm s hay bi u th c toán ủ ộ ộ ố ể ứhọc nhằm mục đích mô tả lại đối tượng th c t ó nh ng dưới d ng s học để ự ế đ ư ạ ốthuận lợi cho việc phân tích, xem xét các đặc tính cũng nh mô ph ng đối tượng ư ỏtrong máy tính Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai trò quan trọng Nó giúp người phân tích tìm ra các mối liên hệ đ ệ i n-c -t , liên h gi a các thông s ơ ừ ệ ữ ốnhư đ ệ i n áp, dòng đ ệi n, momen, tốc độ Trong chương này, mô hình toán học và phương trình đặc tính cơ của động c BLDC s được nghiên c u, t ó tìm ra s ơ ẽ ứ ừ đ ơ

đồ cấu trúc c a ng cơ này, làm tiềủ độ n đề cho vi c mô phỏệ ng các chương sau ở

3.1.1 Mô hình toán học

Hình 3.1 trình bày mô hình mạch i n trong động cơ BLDC Động cơ có đ ệ

3 cuộn dây stator được cấp nguồn có biên độ iđ ện áp V, các nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor Khi hoạt động, trong các cuộn dây sinh ra các s c ph n đ ệứ ả i n động

có độ lớn tương ng v i các pha a, b, c là eứ ớ a, eb, ec Biên độ của các s c ph n ứ ả

đ ệi n động này là b ng nhau và b ng E Do các nam châm và thép không g ằ ằ ỉ ởmăng sông đều được làm từ vật li u có su t i n tr cao nên ta có th bỏ qua ệ ấ đ ệ ở ểdòng cả ứm ng rotor