Nghiên cứu, lắp đặt và lập trình hệ thống điều khiển động cơ điện trên xe tự chế

Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho động cơ của ô tô điện là mợt ́u tớ quan trọng để tới ưu hố hiệu suất và tăng cường khả năng vận hành của c

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023

NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT VÀ LẬP TRÌNH

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRÊN XE TỰ CHẾ

GVHD: ThS NGUYỄN THÀNH TUYÊN SVTH : NGUYỄN MINH TÂN

S K L 0 1 1 5 8 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, LẮP ĐẶT VÀ LẬP TRÌNH

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

i

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn đến các quý thầy từ bộ môn Điện Tử Ô Tô, cũng như các thầy của khoa Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã giúp đỡ và dìu dắt chúng em trong suốt quá trình học tập Nhờ được sự chỉ bảo tận tình từ các quý thầy cô về những kiến thức chuyên môn lẫn kiến thức thực tiễn trong cuộc sống đã giúp chúng em tiếp cận và hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình

đã chọn Từ những kiến thức và hiểu biết đó đã giúp chúng em hoàn thành đồ án và là hành trang giúp chúng em áp dụng vào thực tế

Hơn hết nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Giảng viên NGUYỄN THÀNH TUYÊN, giáo viên hướng dẫn đề tài, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ chúng em rất nhiều về mặt tinh thần lẫn kiến thức trong suốt quá trình thực hiện đồ án, tạo điều kiện cho chúng em mượn phòng để làm nơi thực hiện đồ án

Bên cạnh đó chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ và giúp đỡ hết mình cho nhóm trong quá trình thực hiện

Dù đã nỗ lực rất nhiều, nhưng do sự thiếu sót trong kiến thức và thời gian nghiên cứu có hạn nên nhóm đã đạt được kết quả không tốt như mong đợi Do đó chúng em kính mong nhận được sự đóng góp, nhận xét của quý thầy cô để chúng em hoàn thiện được đồ án tốt hơn Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 7 năm 2023

Nhóm sinh viên thực hiện NGUYỄN MINH TÂN

ii

TÓM TẮT

Hiện nay tình trạng ô nhiễm môi trường càng ngày càng trở nên nghiêm trọng mà nguyên nhân chính là từ các nhà máy, xí nghiệp và đặc biệt là do khí thải của các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong Nhằm hạn chế tình trạng trên, các hãng xe đã thử nghiệm

và chế tạo ra các mẫu xe sử dụng các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu là ô tô điện Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho động cơ của ô tô điện là một yếu tố quan trọng để tối ưu hoá hiệu suất và tăng cường khả năng vận hành của các xe điện Nắm được xu hướng phát triển của nền công nghiệp ô tô, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài:

“Nghiên cứu, lắp đặt và lập trình hệ thống điều khiển động cơ điện trên xe tự chế”

Việc lựa chọn đồ án này là một quyết định có cơ sở và hợp lý Giúp mang lại cho nhóm chúng em nhiều kiến thức cũng như có cơ hội áp dụng vào thực tế và phát triển kỹ năng trong lĩnh vực công nghệ ô tô hiện đại.

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 3

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 6

1.3 Mục tiêu của đề tài 7

1.4 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 8

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu 8

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của ô tô điện 9

2.2 Giới thiệu về vi sai điện tử 15

2.3 Giới thiệu về board mạch ARM STM32F407VGT6 16

2.4 Giới thiệu chung và so sánh động cơ điện 18

2.5 Giới thiệu động cơ BLDC 20

2.5.1 Ưu và nhược điểm của BLDC 20

2.5.2 Cấu tạo BLDC 20

2.6 Nghiên cứu lựa chọn động cơ 25

2.6.1 Ưu điểm của động cơ điện 25

2.6.2 Chọn loại động cơ 26

2.7 Nguyên cứu lý thuyết và thuật toán điều khiển 32

2.8 Thuật toán điều khiển PID 34

iv

2.9 Sơ đồ mạch điện 35

CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI, LẮP ĐẶT MÔ HÌNH XE TỰ CHẾ 37

3.1 Thực trạng mô hình 37

3.2 Tiến hành thay thế, lắp đặt phụ tùng, khôi phục lại hiện trạng của mô hình 39

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN TRÊN MATLAB/SIMULINK 42

4.1 Thuật toán PID 42

4.2 Khối Target Setup 43

4.3 Khối Encoder Read 45

4.4 Khối Subsystem để tính toán tốc độ góc thực tế 47

4.5 Khối Regular ADC 48

4.6 Khối tính toán tốc độ góc mong muốn 50

4.7 Khối tính toán góc lái 51

4.8 Khối EDS (Vi sai điện tử - Electronic Differential System) 52

4.9 Bộ điều khiển PID 54

4.10 Khối điều khiển tốc độ bánh xe DAC 55

4.11 Các khối hiển thị giá trị thu thập được lên màn hình 55

4.11.1 Khối UART_Setup 55

4.11.2 Khối UART_Tx 57

4.11.3 Khối Host_Serial_Setup 58

4.11.4 Khối Host_Serial_Rx 60

4.12 Đảo chiều động cơ 61

CHƯƠNG 5: QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XE ĐIỆN 63

5.1 Phương pháp thực nghiệm 63

5.2 Thử nghiệm cho xe chạy thẳng 63

5.3 Thực nghiệm cho xe quay vòng 64

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66

6.1 Những kết quả thu được 66

v

6.2 Những hạn chế 66

6.3 Hướng phát triển của đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

PID Proportional - Integral – Derivative

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

DCMC Động cơ một chiều

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2 1 Mô hình xe điện phát minh bởi Robert Anderson 9

Hình 2 2 Chiếc xe điện ba bánh đầu tiên trên Thế Giới 10

Hình 2 3 Chiếc xe điện đầu tiên phát minh bởi Thomas Parker 10

Hình 2 4 Chiếc La Jamais Contente được ra đời có thể đạt tốc độ 100km/h 11

Hình 2 5 Chiếc Phaeton de Wood 11

Hình 2 6 Mẫu xe Model T được phát triển bởi Henry Ford vào năm 1908 12

Hình 2 7 Xe điện Buick Skylark phát minh bởi Victor Wouk năm 1972 13

Hình 2 8 Xe điện Vanguard Serbing CitiCar 1974 13

Hình 2 9 Xe điện EV1 do GM sản xuất năm 1996-1998 14

Hình 2 10 Xe điện Pinifarina Blue Car sản xuất bởi công ty Vincent Bolloré 14

Hình 2 11 Xe điện hãng California Tesla Motors 15

Hình 2 12 Mô hình điều khiển vi sai điện tử cho xe có động cơ In-Wheel 16

Hình 2 13 Board ARM STM32F407VGT6 17

Hình 2 14 Stator động cơ BLDC 22

Hình 2 15 Hai dạng sức phản điện động EMF của động cơ BLDC 23

Hình 2 16 Những kiểu bố trí nam châm trong Rotor của động cơ BLDC 23

Hình 2 17 Cách bố trí stator với rotor; rotor nằm trong (bên trái), rotor nằm ngoài (bên phải) 24

Hình 2 18 Sơ đồ các loại động cơ điện có thể dùng trên xe ô tô điện 26

Hình 2 19 Động cơ điện một chiều (DC motor) 27

Hình 2 20 Động cơ không đồng bộ Induction Motor - IM 28

Hình 2 21 Động cơ từ trở đồng bộ Synchronous Reluctance Motor - SynRM 28

Hình 2 22 Động cơ từ trở thay đổi (SRM) 29

Hình 2 23 Động cơ điện một chiều không chổi than BLDC 30

Hình 2 24 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm IPM 31

Hình 2 25 Động cơ In-Wheel 32

Hình 2 26 Mô phỏng chuyển động khi xe quay vòng 33

Hình 2 27 Thuật toán điều khiển PID 35

viii

Hình 2 28 Sơ đồ đi dây điện của hệ thống 35

Hình 2 29 Mạch điều khiển chính 36

Hình 3 1 Bên trong động cơ phải khi tháo nắp 37

Hình 3 2 Cảm biến Hall (bị hỏng) và bên trong động cơ bánh trái 37

Hình 3 3 Driver bánh phải 38

Hình 3 4 Driver bánh trái (bị hỏng) 38

Hình 3 5 Hệ thống phanh bánh trái 39

Hình 3 6 Trục động cơ bánh trái 39

Hình 3 7 Mắt cảm biến Hall 40

Hình 3 8 Mắt cảm biến Hall khi được thay mới 40

Hình 3 9 Driver bánh trái 41

Hình 3 10 Trục động cơ khi đã được hàn cố định 41

Hình 4 1 Sơ đồ thuật toán điều khiển trên mỗi bánh xe 42

Hình 4 2 Sơ đồ khối điều khiển 2 bánh 43

Hình 4 3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ trên Simulink 43

Hình 4 4 Khối Target Setup 44

Hình 4 5 Cấu hình khối Target Setup 1 44

Hình 4 6 Cấu hình khối Target Setup 2 45

Hình 4 7 Cách sử dụng khối Encoder Read 45

Hình 4 8 Khối Encoder Read bánh trái, bánh phải 46

Hình 4 9 Các thông số của khối Encoder Read 47

Hình 4 10 Khối tính toán tốc độ góc bánh trái 1 47

Hình 4 11 Khối tính toán tốc độ góc bánh trái 2 48

Hình 4 12 Khối tính toán tốc độ góc bánh phải 1 48

Hình 4 13 Khối tính toán tốc độ góc bánh phải 2 48

Hình 4 14 Cách sử dụng khối Regular ADC 49

Hình 4 15 Khối đọc giá trị bàn đạp ga và góc lái 50

Hình 4 16 Cấu hình thông số của khối Regular ADC 50

Hình 4 17 Khối tính toán tốc độ góc mong muốn 1 50

ix

Hình 4 18 Khối tính toán tốc độ góc mong muốn 2 51

Hình 4 19 Khối tính toán góc lái của xe 52

Hình 4 20 Khối EDS 53

Hình 4 21 Khối EDS bánh phải 53

Hình 4 22 Khối EDS bánh trái 53

Hình 4 23 Khối PID 54

Hình 4 24 Cách sử dụng khối Regular DAC 55

Hình 4 25 UART CP2102 56

Hình 4 26 Khối UART Setup 56

Hình 4 27 Cấu hình thông số khối UART Setup 56

Hình 4 28 Khối UART Tx 57

Hình 4 29 Cấu hình thông số khối UART Tx 58

Hình 4 30 Khối Host Serial Setup 58

Hình 4 31 Cấu hình thông số Host Serial Setup 59

Hình 4 32 Khối Host Serial Rx 60

Hình 4 33 Cấu hình thông số khối Host Serial Rx 60

Hình 4 34 Công tắt gạt giữ 3 chân 61

Hình 4 35 Module Relay 5V 61

Hình 5 1 Biểu đồ tốc độ 2 bánh xe khi chạy thẳng 63

Hình 5 2 Biểu đồ tốc độ 2 bánh xe khi quay vòng phải 64

Hình 5 3 Biểu đồ tốc độ 2 bánh xe khi quay vòng trái 64

Hình 7 1 Giao diện web Waijung Blockset 68

Hình 7 2 Biểu tượng ứng dụng Matlab/Simulink 68

Hình 7 3 Curent Directory của Matlab/Simulink 69

Hình 7 4 Thư viện của Simulink 69

Hình 7 5 Kết nối module UART với máy tính 70

x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Bảng so sánh ĐCMC thông thường và ĐCMC không chổi than 19Bảng 4 1 Bảng thông số Kp, Ki, Kd của hệ thống điều khiển PID 54

Những nghiên cứu quan trọng về xe điện là phát triển các công nghệ pin tiên tiến, hiệu suất cao, điều khiển các loại động cơ điện như động cơ điện xoay chiều (AC) và động cơ điện một chiều (DC)…

Đối với loại động cơ một chiều được sử dụng để điều khiển trên xe điện, động cơ BLDC được sử dụng phổ biến trong và ngoài nước sử dụng lý thuyết điều khiển khác nhau về PID, Fuzzy, IC điều tốc…một trong số đó là hệ thống vi sai điện tử

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Cường, T.M., Trang, T.T., & ThS Hiếu, N.T (2017) Thiết kế phương tiện di chuyển cá

nhân sử dụng động cơ BLDC Trường Đại học SPKT, tp HCM

Tóm tắt: “Trong thời kỳ đất nước hội nhập và phát triển đòi hỏi con người phải hoạt động

di chuyển nhiều hơn đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng phương tiện lưu thông đặc biệt là xe máy cao hơn, nên dễ dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông, ô nhiễm khói bụi khi tham gia giao thông trong nội thành Yêu cầu đặt ra là cần phải có 1 phương tiện thay thế đảm bảo an toàn cũng như tình trạng tiếng ồn, ô nhiễm khi tham gia lưu thông trong nội thành Phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC với thiết kế nhỏ gọn, tiện lợi có thể mang theo là phương pháp hợp lý Nhằm khắc phục được tình trạng kẹt xe khi sử dụng phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC thay thế thay thế xe máy trong việc lưu thông trong nội thành Nhận ra được thực trạng đó, dưới sự phân công và hướng dẫn của Thầy ThS Nguyễn Trung Hiếu, chúng em đã chọn đề tài thiết kế phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng động cơ BLDC’’

Thiện, N.H.Đ., Trí, P.H., & ThS Trí, Đ.Đ (2018) Xây dựng và điều khiển động cơ BLDC

xe đạp điện Trường Đại học SPKT, tp HCM

Tóm tắt: “Ngày nay xe đạp điện đang được sử dụng rất phổ biến trên thế giới Nhóm em

chọn động cơ BLDC để nghiên cứu nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển Động

2

cơ BLDC là động cơ điện một chiều không chổi than được điều khiển nhờ sử dụng các cảm biến Hall để xác định được vị trí Rotor để đưa tín hiệu về cho vi điều khiển xử lý và điều khiển tốc độ động cơ, dựa vào hoạt tính của cảm biến Hall mà động cơ BLDC được điều khiển một cách đồng bộ và linh hoạt hơn Động cơ BLDC ưu điểm hơn so với motor DC Nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển cũng đơn giản hơn, bảo trì bảo dưỡng ít hơn Nội dung nghiên cứu nhóm em sử dụng vi điều khiển DSPIC30F4011 và một số loại IC thông dụng là IR2102 HCPL2631 để điều khiển động cơ BLDC, trong vi điều khiển này được tích hợp 6 chân PWM,

sử dụng PWM này để thay đổi độ rộng xung cũng như thay đổi tốc độ điều khiển cho động cơ”

Trang, P.C., & Nghĩa, D.H (2016 – 2017) Điều khiển động cơ DC không chổi quét

(BLDC) bằng phương pháp sử dụng bộ nghịch lưu dòng trễ kết hợp với PID Trường Đại học

Sư Phạm Kỹ Thuật & trường Đại học Bách Khoa, tp HCM

Tóm tắt: “Trong động cơ DC không chổi quét (BLDC), dạng mô men động cơ không gợn

sóng có thể được tạo ra bằng cách tạo dạng sóng kích từ dòng điện với sự giúp đỡ của các thành phần giao tiếp điều khiển bằng điện tử Dạng mô men không gợn sóng này có thể tối thiểu hóa tổn hao đồng Trong bài báo này, việc điều khiển từ thông gián tiếp và mô men trực tiếp mà không sử dụng cảm biến vị trí cho động cơ không chổi quét với lực điện động ngược (Back EMF) không sin được đưa ra một cách bao quát Có rất nhiều phương pháp được kiến nghị cho việc điều khiển BLDC để đạt được dòng tối ưu hoặc để đạt được dòng tối ưu và các xung điều khiển mô men trong các bộ điều khiển BLDC Hầu hết các phương pháp này khá phức tạp và không xem xét đến việc điều khiển liên kết từ thông stator, do đó, khả năng vận hành ở tốc độ cao là không thể thực hiện được Trong bài báo này, một phương pháp mới và đơn giản để điều khiển trực tiếp mô men không gợn sóng ở tần số thấp đạt hiệu suất cao được trình bày Phương pháp này không yêu cầu điều chế độ rộng xung PWM nhưng cần một bộ hiệu chỉnh Tỷ lệ – Tích phân (PI) cùng với kỹ thuật điều khiển dòng trễ tương ứng và cũng cho phép điều chỉnh các tín hiệu khác nhau Mô hình ứng dụng bộ điều khiển động cơ BLDC

ba pha không cảm biến được xác thực thông qua các kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm

Matlab/Simulink”

3

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ravi Kumar, N., RajKumar, D., Shanthosh Kumar, S., & Yuvaraj, R (5/2022) Electric

vehicle run by BLDC motor Department of Mechanical Engineering, SNS College of

Technology, Coimbatore

Tóm tắt: “Mục đích chính của dự án này là đưa ra cái nhìn chính xác bằng cách bắc cầu

nguồn năng lượng khác nhau có sẵn cho nhân loại Trong thế giới hiện đại hóa ngày nay, việc

đi du lịch là rất cần thiết đối với con người để tồn tại trong thế giới này Và để làm như vậy, chuyến đi đó nên được thực hiện theo cách tối thiểu có thể Dự án này trình bày chi tiết về xe đạp điện chạy bằng pin qua đó cung cấp điện áp cho động cơ Dự án này thỏa hiệp với thiết kế và chế tạo xe đạp điện sử dụng năng lượng điện làm nguồn chính Năng lượng điện tạo ra được sử dụng để chạy xe đạp có thể giúp tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với phương tiện thông thường, hiệu suất tốt hơn và cũng ít gây ô nhiễm hơn Để giảm ô nhiễm không khí và ô nhiễm tiếng ồn Nó cung cấp một phương tiện thân thiện với môi trường và giảm việc sử dụng nhiên liệu”

Colton, S.W (2010), Design and Prototyping Methods for Brushless Motors and Motor

Control (PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, US)

Tóm tắt: “Trong báo cáo này, các phương pháp tạo mẫu và thiết kế đơn giản, chi phí thấp

cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không chổi than tùy chỉnh sẽ được khám phá Ba động cơ nghiên cứu trường hợp được sử dụng để phát triển, minh họa và xác nhận các phương pháp Hai động cơ trung tâm 500W được thực hiện trong một chiếc xe tay ga điện truyền động trực tiếp Trường hợp nghiên cứu thứ ba, một động cơ từ thông hướng trục 10kW, được sử dụng để chứng minh tính linh hoạt của các phương pháp thiết kế Có nhiều cách khác nhau để dự đoán hằng số động cơ, liên quan giữa mô-men xoắn với dòng điện và tốc độ với điện áp, được trình bày Các dự đoán bao gồm từ ước tính DC bậc một đến mô phỏng động đầy đủ, mang lại kết quả ngày càng chính xác Các cách dự đoán điện trở cuộn dây, cũng như các nguồn tổn thất khác trong động cơ, được thảo luận trong bối cảnh đánh giá công suất tổng thể của động cơ Phương pháp tạo mẫu nhanh cho động cơ không chổi than tỏ ra hữu ích trong việc chế tạo động cơ nghiên cứu điển hình Các kỹ thuật đánh giá không tải đơn giản xác nhận các hằng số động cơ dự đoán mà không cần thiết bị kiểm tra lớn, đắt tiền Các phương pháp

4

thiết kế và tạo mẫu bộ điều khiển động cơ không chổi than cũng được trình bày Nghiên cứu điển hình, một bộ điều khiển động cơ không chổi than hai kênh, 1kW mỗi kênh, được phát triển đầy đủ và được sử dụng để minh họa cho các phương pháp này Các yêu cầu về điện của bộ điều khiển (điện áp, dòng điện, tần số) ảnh hưởng đến việc lựa chọn các thành phần, chẳng hạn như bóng bán dẫn công suất và tụ điện bus Các yêu cầu cơ học, chẳng hạn như kích thước tổng thể, khả năng truyền nhiệt và khả năng chịu rung, cũng đóng một vai trò lớn trong thiết kế Với ý tưởng tạo nguyên mẫu toàn hệ thống, bộ điều khiển tích hợp thu thập dữ liệu không dây để gỡ lỗi Điều khiển AC hướng trường được triển khai trên phần cứng giá rẻ bằng cách

sử dụng một sửa đổi mới của bộ điều chỉnh dòng điện đồng bộ tiêu chuẩn Hiệu suất của bộ điều khiển được đánh giá dưới tải trên hai hệ thống nghiên cứu điển hình: Trên xe tay ga điện truyền động trực tiếp, nó điều khiển đồng thời và độc lập hai động cơ Trên một chiếc ô tô điều khiển từ xa hiệu suất cao, một điểm vận hành khắc nghiệt hơn được thử nghiệm với một động cơ”

Bahadir, A., & Aydogdu, O (2021) Modeling of a brushless DC motor driven electric

vehicle and its PID-FUZZY control with dSPACE Sigma Journal of Engineering and Natural

Sciences, vol 41, no 1, pp 156-177

Tóm tắt: “Trong nghiên cứu này, thuật toán điều khiển và trình điều khiển ban đầu công

suất cao (75 kW) đã được phát triển cho một phương tiện chở khách chạy điện có các tính năng có thể được sử dụng thực tế Người ta đã quan sát thấy rằng một số vấn đề xảy ra trong hoạt động của các thuật toán điều khiển đã phát triển trong các hệ thống lực kéo hoạt động ở công suất cao Trong nghiên cứu này, các phương pháp giải quyết của những vấn đề này được bao gồm Đầu tiên, mô hình mô phỏng của một chiếc xe điện có được bằng cách xác định các thông số cơ bản cho một chiếc xe điện chở khách Sau đó, hệ thống truyền động và động cơ

DC không chổi than đã được xác định cho xe điện và Bộ chuyển đổi DC-AC (Biến tần) 75

kW ban đầu theo tiêu chuẩn ô tô đã được thiết kế và thử nghiệm cho động cơ DC không chổi than Ngoài ra, trong giai đoạn thiết kế và triển khai, phần mềm điều khiển phương tiện dựa trên cơ sở điều khiển PID và Fuzzy đã được phát triển trên môi trường MATLAB/Simulink nhằm mục đích tạo mẫu nhanh và tải trên hệ thống điều khiển dựa trên DS1401 dSPACE Người ta thấy rằng thông qua tạo nguyên mẫu nhanh, thời gian chu kỳ phát triển bộ điều khiển

5

thích hợp cho phương tiện giảm đáng kể, điều này đã làm giảm đáng kể chi phí nghiên cứu và phát triển Trong thuật toán điều khiển phương tiện, thông tin tốc độ được sử dụng làm đầu vào tham chiếu và thông tin phanh được sử dụng làm thông tin phản hồi Tín hiệu điều khiển

do bộ điều khiển tạo ra được chuyển đổi thành các xung PWM cho từng pha và được cấp cho trình điều khiển IGBT Các xung PWM này được sử dụng để chuyển đổi sáu thành phần nguồn IGBT được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-AC toàn cầu ba pha Tính năng dẫn động ở giai đoạn thiết kế đã được nghiên cứu đối với các trường hợp khởi động, tăng tốc, đảo chiều và hỏng tải Kết quả mô phỏng và thử nghiệm đã chứng minh tính hiệu quả của hệ thống điều khiển truyền động và trình điều khiển đã được phát triển ban đầu Khi kiểm tra đáp ứng của

hệ thống, thuật toán điều khiển logic mờ cho kết quả tốt hơn nhiều so với PI và sau đó là thuật toán điều khiển PID Kết quả mô phỏng và kết quả ứng dụng phù hợp với nhau và hiệu suất

hệ thống đã được thử nghiệm thành công Nhiều mạch bảo vệ đã được thiết kế và cấu hình trong hệ thống, với các thuật toán điều khiển được phát triển theo các vấn đề phát sinh trong quá trình vận hành hệ thống công suất cao, các phần cứng bổ trợ cho việc vận hành tổ máy công suất lớn (75kW) Cơ sở hạ tầng an toàn và bảo mật đã được phát triển cả về phần cứng

và phần mềm để được chứng nhận phù hợp theo tiêu chuẩn ô tô”

Hat, M.K., Ibrahim, B.S.K.K., Mohd, T.A.T., & Hassan, M.K (9/12/2015) Model based design of PID controller for BLDC motor with implementation of Embedded Arduino Mega

controller ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol 10, no 19, pp

8588-8594

Tóm tắt: “Động cơ DC không chổi than là loại hình truyền động bằng điện được sử dụng

rộng rãi nhất trong ngành Quá trình phát triển của truyền động là tốn kém và mất thời gian Tuy nhiên, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để giảm thời gian phát triển của ổ đĩa Bài báo này trình bày kỹ thuật Thiết kế dựa trên mô hình Động cơ DC không chổi than

sử dụng MATLAB/Simulink với bộ khối hỗ trợ Arduino Mô hình động cơ BLDC được phát triển bằng phương pháp mô hình hóa hộp đen; mô phỏng được thực hiện dựa trên dữ liệu thời gian thực và được xử lý bằng hộp công cụ Nhận dạng Hệ thống MATLAB Bộ điều khiển PID sau đó được thiết kế và điều chỉnh trong các mô phỏng để đạt được hiệu suất truyền động Đối với ứng dụng thời gian thực, mã bộ điều khiển được tạo và tải lên bộ điều khiển nhúng Arduino

6

Mega Các kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm được thảo luận và so sánh Các công việc đã thực hiện kết luận rằng kỹ thuật thiết kế dựa trên Mô hình có thể được áp dụng trong bất kỳ ứng dụng thiết kế điều khiển nào sử dụng bộ điều khiển chi phí thấp như bộ điều khiển nhúng Arduino”

Ngoài ra, ngoài thuật toán điều khiển PID, những thuật toán khác có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ như Fuzzy Logic Control: Fuzzy logic with self-tuning, Fuzzy Sliding Mode, Fuzzy Logic with self-tuning, Fuzzy Sliding Mode Control (FSMC)

- Bin Wu sử dụng Fuzzy logic control với phương pháp self-tuning (tự động điều chỉnh) của động cơ BLDC, nó là sự kết hợp của phương pháp ANN (Artificial Neutral Network) và PSO (Particle Swarm Optimization) Kết quả cho ra là sai số xác lập rất thấp so với thuật toán PI

và Fuzzy Logic Control

- ANN là phương pháp điều khiển cũng được sử dụng trong việc ước tính tốc độ và điều khiển động cơ DC độc lập Việc điều khiển được chia làm hai phần Một là các thành phần ước lượng dùng để ước tính tốc độ động cơ Phần còn lại là phần điều khiển dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển đổi Tốc độ động cơ được điều khiển dựa trên phương pháp dự báo và nhiệm vụ dự báo mà ANNs đảm nhận từ tham số điện áp, phần ứng hiện tại và tốc độ tham

chiếu

- Agrawal, S and Vivek S sử dụng thuật toán PSO-Fuzzy cho động cơ BLDC, sự kết hợp này

cho ra hiệu suất tốt hơn so với thuật toán PI

- Những thuật toán điều khiển được đề xuất trên có thể gia tăng sự hiệu quả của động cơ BLDC, điều khiển theo phương pháp này là giải pháp cho nhiều vấn đề xảy ra đối với hệ thống

thông thường

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, với sự tăng trưởng mạnh về công nghiệp, kinh tế dẫn đến việc khai thác tài nguyên thiên nhiên, nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt…được đẩy mạnh Điều đó đồng nghĩa với việc những nguồn tài nguyên đó sẽ cạn kiệt, giá thành sẽ gia tăng Trong đó xăng, dầu là hai nguồn tài nguyên được sử dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông, nhưng lượng khí thải từ việc tiêu thụ xăng, dầu lại gây ô nhiễm môi trường Vì vậy, việc đẩy mạnh phát triển các nguồn năng lượng thay thế là cần thiết, nhằm giảm thiểu vấn đề

ô tô điện, xe đạp điện…

Ngoài ra, nhóm em cũng đã được trang bị, tiếp cận những môn học như hệ thống điều khiển tự động ô tô, ứng dụng máy tính…tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM về những kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế về ví dụ minh họa liên quan tới hệ thống vận hành trên xe điện, nhưng nhóm em vẫn thấy hứng thú về những kiến thức mà những môn học này mang lại và tầm quan trọng trong việc ứng dụng nó vào thực tiễn

Cùng với thực trạng đã nêu trên, nhóm em nhận ra tính cần thiết khi lựa chọn nghiên cứu đề tài này nhằm phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu cũng như là tư liệu, trang thiết bị thực hành cho các khóa sau

1.3 Mục tiêu của đề tài

Đồ án của nhóm em tập trung vào tìm hiểu về động cơ BLDC, cụ thể là In-wheel motor, trên mô hình xe tự chế Từ đó, tìm ra nguyên lý hoạt động để thiết kế một bộ điều khiển phù hợp, thực nghiệm trên mô hình, thu thập số liệu và tối ưu hóa Nhiệm vụ của đồ án thực hiện các yêu cầu sau:

- Tìm hiểu về lịch sử phát triển và các công nghệ hiện để điều khiển động cơ trên xe điện

- Tìm hiểu về MATLAB/SIMULINK, STM32CubeMx, STM32CubeIDE, Keil C

- Nghiên cứu về board ARM STM32F407VG

- Tiến hành lắp đặt, thi công trên mô hình thực tế

- Thiết kế thuật toán điều khiển bằng PID trên MATLAB/SIMULINK

- Thực nghiệm thuật toán điều khiển động cơ điện cùng với hệ thống vi sai điện tử trên mô hình thực tế

8

1.4 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng các nguồn tài liệu chuyên ngành, các bài báo nghiên cứu khoa học, luận án, đồ án để nghiên cứu về lý thuyết, nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC, bộ biến tần

- Sử dụng những bài viết, video trên internet để nghiên cứu về board mạch STM32F4, MATLAB/SIMULINK, tìm hiểu cách giao tiếp với board mạch STM32F4

- Tìm hiểu về các thông số, các tính năng của board mạch STM32F407VG dựa theo nhà sản xuất để phục vụ cho mục đích điều khiển động cơ

- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Driver điều khiển motor

- Ứng dụng board STM32F4 kết hợp với xây dựng thuật toán PID trên MATLAB/SIMULINK để điều khiển hai bánh xe cùng với chức năng vi sai điện tử,

- Thu thập các tín hiệu góc lái, bàn đạp ga, tốc độ bánh xe để phục vụ cho thiết kế thuật toán điều khiển PID để điều khiển động cơ BLDC

- Đưa ra giải pháp khắc phục những khó khăn trong giai đoạn thực nghiệm trên mô hình thực tế, mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK

- Viết bảng nhiệm vụ tuần để theo dõi tiến trình thực hiện đồ án

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ In-Wheel Motor

- Thiết kế thuật toán điều khiển board STM32F407VG

- Điều khiển động cơ BLDC (In-Wheel Motor) dựa trên phương pháp điều khiển số PID

- Điều khiển vi sai điện tử

- Thực nghiệm trên mô hình thực tế

- Đánh giá kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm dựa trên mô hình thực tế

- Đưa ra nhận xét, đề xuất phát triển cho đề tài

đó chiếc xe điện vẫn còn thô sơ

Hình 2 1 Mô hình xe điện phát minh bởi Robert Anderson

Trong khoảng thời gian đó, vào năm 1838, một nhà doanh nhân Scotland khác có tên là Robert Davison, cũng đã cho ra đời một mô hình tương tự

Năm 1859, nhà vật lý người Pháp Gaston Planté bắt đầu phát minh ra pin sạc và thiết bị lưu trữ điện trong xe và sau đó được tiếp nối bởi nhà hóa học người Pháp khác, Camille Faure, vào năm 1881

Năm 1880, nhà phát minh Gustave Trouvé đã cải tiến một động cơ điện nhỏ, phát triển pin sạc theo công nghệ của Siemens và lắp vào xe ba bánh của nhà phát minh người Anh James Starley Chiếc xe ba bánh này là chiếc xe điện đầu tiên trên Thế giới

10

Hình 2 2 Chiếc xe điện ba bánh đầu tiên trên Thế Giới

Dù vậy, để có định nghĩa đúng về khái niệm xe điện trên Thế giới thì phải đến năm 1884, dựa vào sự thành công của nhà phát minh Thomas Parker, ở Wolverhampton, Anh, chiếc xe điện đầu tiên mới chính thức ra đời

Hình 2 3 Chiếc xe điện đầu tiên phát minh bởi Thomas Parker

Tại Mỹ, nhà phát minh William Morrison đã chế tạo chiếc ô tô điện chở được 6 người vào khoảng những năm 1890-1891 Chiếc xe này có thể cho ra tốc độ là 23km/h

Không dừng lại ở đó, vào năm 1899, một công ty đã chế tạo ra chiếc “La Jamais Contente”, chiếc xe được điều khiển bởi một tay đua xe người Bỉ tên là Belgian Camille Jenatzy, là người

11

đầu tiên đạt tốc độ trên 100km/h Chiếc xe có hình dạng giống một quả ngư lôi được chế tạo từ hợp kim nhôm nhẹ và được trang bị lốp Michelin

Hình 2 4 Chiếc La Jamais Contente được ra đời có thể đạt tốc độ 100km/h

Đầu thế kỉ 20 là thời kỳ bùng nổ của xe điện Xe điện chiếm một phần ba trong tổng số phương tiện chạy trên đường, bao gồm cả xe chạy bằng xăng, dầu và hơi nước

Năm 1902, chiếc xe Phaeton de Wood được phát minh để có thể chạy được quãng đường dài 29km ở tốc độ 22,5 km/h, trong đó kinh phí thực hiện là 2000 USD

Hình 2 5 Chiếc Phaeton de Wood

12

Năm 1912, sản xuất xe điện đạt tới đỉnh điểm Nhưng bước ngoặc diễn ra khi Henry Ford cho ra mẫu Model T chạy bằng khí đốt trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp xe hơi vào năm 1908

Hình 2 6 Mẫu xe Model T được phát triển bởi Henry Ford vào năm 1908

Nhưng đến những năm 1920, xe điện cho thấy dấu hiệu suy giảm mạnh, bị dừng thương mại hóa Các nguyên nhân có thể kể ra như: hạn chế về phạm vi hoạt động của xe điện, tốc độ đạt được còn thấp, xăng trở nên phổ biến hơn do sự phát triển của các mỏ dầu, giá thành của

xe điện đắt hơn xe xăng

Xe điện gần như biến mất trên thị trường vào năm 1930 Đồng thời, xe sử dụng động cơ đốt trong đang ngày càng bùng nổ

Ảnh hưởng từ sau thế chiến 2, khiến nguồn nhiên liệu từ nhiều quốc gia trở nên cạn kiệt, dẫn đến giá thành của xăng, dầu tăng kỷ lục Nhận thấy điều đó, vào năm 1970, Mỹ đã quay trở lại thúc đẩy phát triển xe điện

Năm 1972, ông Victor Wouk cha để của dòng xe Hybrid (xe lai điện) đã chế tạo ra chiếc

xe Hybrid đầu tiên, mang tên Buick Skylark General Motors (GM)

13

Hình 2 7 Xe điện Buick Skylark phát minh bởi Victor Wouk năm 1972

Vào năm 1974, Robert G Beaumont cho ra mắt với công chúng mẫu xe Vanguard-Serbing CitiCar dưới hình dạng giống như một miếng phô mai được cắt ra, là một chiếc xe điện có hai chỗ ngồi dành cho sân Golf, được giới thiệu tại Hội nghị chuyên đề xe điện ở Washington

Hình 2 8 Xe điện Vanguard Serbing CitiCar 1974

Giữa năm 1996 và 1998 GM sản xuất 1.117 xe điện đời EV1, 800 xe trong số đó được dùng cho thuê với một hợp đồng 3 năm

14

Hình 2 9 Xe điện EV1 do GM sản xuất năm 1996-1998

Đến năm 2000 xe điện lại chết một lần nữa

Năm 2003-2004, là sự sụp đổ của dòng xe EV1 GM đã cho thu hồi tất cả các xe để hủy, bất chấp nhiều cuộc biểu tình

Tại Pháp, tháng 3 năm 2009, công ty Vincent Bolloré thông báo phát hành trong năm 2010

xe điện Pinifarina Blue Car thuê bao tháng với giá 330€

Hình 2 10 Xe điện Pinifarina Blue Car sản xuất bởi công ty Vincent Bolloré

15

Ngày nay, sự nhận thức chung về môi trường ngày càng lớn mạnh, do đó thị trường xe ô

tô điện có cơ hội mới để tăng trưởng Năm 2010, hãng xe California Tesla Motors đã thành công gia nhập thị trường chứng khoán với hơn 200 triệu USD, và đạt được tăng trưởng hơn 36,7% trong vòng một năm

Hình 2 11 Xe điện hãng California Tesla Motors

Chứng kiến những gì mà Tesla đã làm được trên Thế Giới, những chuyên gia trong ngành đánh giá trong khoảng một thập kỷ tới, xe điện sẽ dần trở nên thông dụng với mọi người Trong một tương lai gần, dòng xe điện mà trước đây mọi người từng cảm thấy lạ lẫm với cộng đồng người Việt sẽ được thấy thường xuyên hơn trên đường phố Việt Nam

2.2 Giới thiệu về vi sai điện tử

Trong kỹ thuật ô tô, vi sai điện tử là một dạng vi sai cung cấp mô-men xoắn cần thiết cho từng bánh lái và cho phép các bánh xe quay với tốc độ khác nhau Nó được sử dụng như là sự thay thế cho vi sai cơ khí thông thường trong các hệ thống truyền động nhiều cầu Khi vào cua, bánh xe bên trong và bên ngoài quay với tốc độ khác nhau vì bánh xe bên trong có bán kính quay vòng nhỏ hơn Bộ vi sai điện tử sử dụng tín hiệu góc lái và tốc độ động cơ để điều khiển công suất tới từng bánh xe nhằm cung cấp mô-men xoắn mong muốn tới các bánh xe

16

Hình 2 12 Mô hình điều khiển vi sai điện tử cho xe có động cơ In-Wheel

Những hệ thống này, thường với một động cơ trên mỗi bánh xe, cần một bộ điều khiển cấp cao bổ sung mà thực hiện nhiệm vụ tương tự, khắc phục các hạn chế về cơ khí

EDS có một số lợi thế hơn bộ vi sai cơ khí:

- Sử dụng motor điện gọn nhẹ và nhỏ hơn, được gắn trực tiếp vào hai bên bánh xe (còn được gọi là in-wheel motor)

- Đơn giản, lượt bỏ đi các thành phần cơ khí của hệ thống truyền lực như ly hợp, hộp số, trục các đăng

- Giảm tải trọng và cải thiện hiệu quả hoạt động và độ tin cậy

- Kiểm soát moment độc lập cho từng bánh xe khi quay vòng (kiểm soát lực kéo, kiểm soát độ ổn định)

- Được lập trình, tái định hình để cải thiện độ an toàn và ổn định khi lái xe

- Do sự khác biệt về cơ học, không giới hạn về moment xoắn ở các bánh xe với lực kéo nhỏ nhất

- Thời gian đáp ứng nhanh và cho ra moment chính xác ở từng bánh xe

2.3 Giới thiệu về board mạch ARM STM32F407VGT6

Board mạch ARM STM32F407 là một trong những board phổ biến được sử dụng trong phát triển ứng dụng nhúng (embedded systems) và IoT (Internet of Things) Nó dựa trên vi xử

- Bộ nhớ RAM 192Kb và Flash 1MB tích hợp để lưu trữ chương trình và dữ liệu

- Giao tiếp ngoại vi đa dạng bao gồm UART, SPI, I2C, GPIO, ADC, PWM và nhiều giao tiếp khác, giúp kết nối với các thiết bị và cảm biến khác nhau

- Ngoài ra, bo mạch còn tích hợp sẵn mạch nap ST-LINK/V2 và các cảm biến như cảm biến gia tốc LIS302DL, bộ xử lý âm thanh MP45DT02, đèn LED để thông báo trạng thái nguồn, nút nhấn và nút Reset

- Được hỗ trợ bởi một loạt các công cụ phát triển phần mềm, bao gồm phần mềm STM32Cube, môi trường lập trình Keil C MDK, và nhiều công cụ phát triển phần mềm khác

Board STM32F407 cung cấp một môi trường phát triển linh hoạt và mạnh mẽ cho việc tạo ra các ứng dụng nhúng đa dạng, từ điều khiển đơn giản cho đến các hệ thống phức tạp hơn

18

Nó là sự lựa chọn phổ biến cho các nhà phát triển và kỹ sư trong lĩnh vực nhúng và IoT, nhờ tính ổn định, hiệu năng cao và khả năng tích hợp linh hoạt

2.4 Giới thiệu chung và so sánh động cơ điện

Ngày nay, động cơ điện một chiều vẫn có một tầm ảnh hưởng lớn đối với hệ điều chỉnh tự động truyền động điện Các loại động cơ điện một chiều phổ biến có hiệu năng cao và các đặc điểm của chúng tương thích đối với các hệ thống yêu cầu có độ chuẩn xác cao trong phạm

vi điều khiển lớn và nguyên lý điều chỉnh phức tạp Tuy vậy, cấu trúc của động cơ một chiều gặp một hạn chế duy nhất là sự hiện diện của cổ góp và chổi than, những thành phần dễ bị hư tổn và cần được bảo trì đều đặn

Nhằm giải quyết hạn chế này, đã xuất hiện một kiểu động cơ không yêu cầu bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bằng thiết bị bán dẫn, ví dụ như biến tần sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị trí của rotor Được gọi là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor), loại động cơ này khắc phục hầu hết các vấn đề liên quan đến mài mòn, bảo dưỡng và bảo trì thường xuyên của động cơ một chiều thông thường

Mặc dù có sự nhấn mạnh rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều thông thường có đặc tính tĩnh có điểm tương đồng, tuy nhiên, thực tế cho thấy chúng có những khác biệt đáng kể ở một số khía cạnh Khi so sánh hai kiểu động cơ này từ góc độ công nghệ hiện tại, chúng ta thường đề cập đến những sự tương phản hơn là những điểm tương đồng giữa chúng

Khi đề cập đến chức năng của động cơ điện, không thể bỏ qua vai trò quan trọng của dây cuộn và quá trình đổi chiều Đổi chiều là quá trình chuyển đổi dòng điện một chiều đầu vào thành dòng xoay chiều và phân phối dòng điện này một cách chính xác đến từng cuộn dây trong phần cơ của động cơ

Trong động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiều được thực hiện thông qua việc sử dụng cổ góp và chổi than, mà thay đổi vị trí để thay đổi hướng dòng điện đầu vào Tuy nhiên, trong động cơ một chiều không chổi than, còn được gọi là động cơ BLDC, quá trình đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET, GTO, IGBT

19

Bảng 2 1 Bảng so sánh ĐCMC thông thường và ĐCMC không chổi than

stator

Mạch kích từ nằm trên

rotor Tính năng đặc biệt Thích ứng nhanh và điều

khiển đơn giản

Đáp ứng chậm hơn Dễ bảo dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng)

nhất là nối 

Cao áp: Ba pha nối Y hoặc  Bình thường: Dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha Đơn giản nhất: nối 2

pha Phương pháp xác định

đổi chiều

Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp

Chuyên mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn như transistor, IGBT…

(cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic

20

2.5 Giới thiệu động cơ BLDC

2.5.1 Ưu và nhược điểm của BLDC

2.5.1.1 Ưu điểm:

- Vì hầu như không bị ảnh hưởng bởi ma sát nên sử dụng chuyển mạch điện tử

- Động cơ có tuổi thọ cao, hoạt động ổn định và ít gặp sự cố hỏng hóc

- Sự bố trí các cuộn dây trên Stator giúp việc làm mát trở nên thuận tiện

- Có mật độ công suất lớn hơn so với động cơ một chiều truyền thống

- Đặc tính tốc độ trên mô-men tuyến tính tốt

- Tỷ lệ công suất trên khối lượng cao

- Tỷ lệ mô-men và quán tính lớn, cho phép tăng và giảm tốc độ nhanh chóng

- Hiệu suất cao nhờ sử dụng nam châm vĩnh cửu

- Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng trong việc thiết kế, tính toán và lắp đặt cũng như tháo gỡ khi cần thiết

- Phạm vi tốc độ rộng

- Dao động mô-men nhỏ, ngay cả ở tốc độ thấp, mang lại khả năng điều khiển chính xác hơn

2.5.1.2 Nhược điểm:

Để vận hành động cơ BLDC, cần sử dụng một bộ điều khiển đặc biệt để tạo ra điện ngõ

ra dạng xung vuông Ngoài ra, động cơ này còn được trang bị cảm biến Hall được đặt bên trong để xác định vị trí của rotor

Động cơ BLDC đang đối mặt với một số thách thức về giá cả do sử dụng nam châm vĩnh cửu làm nguồn kích từ Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ hiện nay, vấn đề này sẽ dần được giải quyết và giá thành của nam châm vĩnh cửu sẽ giảm đi

2.5.2 Cấu tạo BLDC

Cấu tạo của BLDC gồm 2 thành phần chính đó là rotor, stator

Rotor, được đặt ở phía trong và liên kết trực tiếp với trục dẫn động, là phần chủ yếu của động cơ BLDC Rotor bao gồm một chuỗi nam châm vĩnh cửu, tạo nên một cấu trúc quan trọng cho hoạt động quay của động cơ

Stator, trong khi đó, là phần tĩnh và cố định được gắn chặt với vỏ động cơ Stator được tạo thành từ một dãy cuộn dây được bọc quanh lõi từ sắt, sử dụng các lá thép kỹ thuật ghép

Stator của động cơ có sự tương đồng với động cơ xoay chiều nhiều pha trong việc quấn dây, trong khi đó rotor có thể bao gồm một hay là nhiều nam châm vĩnh cửu

Sự khác biệt cơ bản giữa động cơ không chổi than một chiều và động cơ xoay chiều đồng bộ là nó sử dụng một số phương pháp để xác định vị trí của rotor (hoặc vị trí cực từ) để tạo ra các tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển mạch điện tử Điều này biến động cơ không chổi than một chiều trở thành sự kết hợp giữa động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ chuyển mạch điện tử theo vị trí của rotor

Việc định vị vị trí của rotor được tiến hành thông qua cảm biến vị trí Cảm biến vị trí thông thường là các cảm biến Hall, tuy vậy ta vẫn bắt gặp cảm biến quang học được áp dụng trên một số động cơ Tuy đa số động cơ phổ biến và có năng suất cao là động cơ ba pha, việc sử dụng động cơ không chổi than một chiều hai pha có thể là sự lựa chọn thay thế do cấu trúc và mạch truyền động đơn giản

Stator:

Cấu trúc của stator của động cơ BLDC có điểm tương đồng với động cơ cảm ứng Nó được tạo thành từ các lớp thép xếp chồng lên nhau với khe cắt dọc trục cho cuộn dây Dây quấn phần ứng trong động cơ một chiều có thể là hai pha, ba pha hoặc nhiều pha, nhưng kiểu dây quấn ba pha được thông dụng hơn Cuộn dây trong BLDC hơi khác so với cuộn dây của động cơ một chiều truyền thống

22

Hình 2 14 Stator động cơ BLDC

Stator được sử dụng để tạo ra lực từ, đảm bảo rằng rotor của động cơ DC không chổi than quay Nó có thể được đặt bên trong rotor hoặc bên ngoài bao quanh rotor Stator được cấu thành từ các tấm thép xếp chồng lên nhau để tạo thành lõi từ tính Cuộn dây được quấn xung quanh lõi và được kết nối với bộ điều khiển Nói chung, đa số các động cơ BLDC bao gồm ba cuộn dây stator được nối theo kiểu sao hoặc ‘Y’ (không có điểm trung tính)

Các tấm thép của stator có thể có hoặc không có rãnh, với lõi không rãnh thường cho phép động cơ hoạt động ở tốc độ cao hơn nhờ có độ tự cảm thấp Tuy nhiên, thiết kế này đòi hỏi nhiều cuộn dây hơn và có chi phí cao hơn

Ngoài ra, dựa trên cách nối trong các bối dây trong cuộn dây stator khác nhau dẫn đến hình dạng sức phản điện động cũng khác nhau Động cơ không chổi than có hai dạng sức phản điện động là hình sin và hình thang Dòng điện trong các pha của động cơ cũng có dạng hình thang và hình sin Điều này khiến moment của động cơ hình sin trở nên phẳng hơn, tuy nhiên,

nó cũng đắt hơn do yêu cầu thêm các bối dây được nối liền mạch Bên cạnh đó, động cơ hình

thang có giá thành rẻ hơn nhưng do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động lớn hơn nên gây ra đặc tính momen nhấp nhô