Xây dựng mô hình điều khiển mô tơ xe điện tự hành phục vụ học tập

Ngoài ra còn cóthể điều khiển động cơ thông qua wifi, đó là một bước tiến mới trong ngành côngnghiệp IOT.Nhóm em đã làm ra mô hình và chạy thử đúng với các kế hoạch đạt ra ban đầu.Ngoài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

MÔ TƠ XE ĐIỆN TỰ HÀNH PHỤC VỤ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠ KHÍ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

MÔ TƠ XE ĐIỆN TỰ HÀNH PHỤC VỤ

Đà Nẵng, … /20…

Điều khiển chiều quay của động cơ, điều khiển tốc độ của động cơ dựa vào viđiều khiển Arduino Mega2560 và Module điều khiển tốc độ động cơ Ngoài ra còn cóthể điều khiển động cơ thông qua wifi, đó là một bước tiến mới trong ngành côngnghiệp IOT.

Nhóm em đã làm ra mô hình và chạy thử đúng với các kế hoạch đạt ra ban đầu.Ngoài ra mô hình được tạo ra chỉ là tiền đề cho sự nâng cấp, phát triển sau này củadòng xe điện Được sử dụng chủ yếu trong giảng dạy để biết được nguyên lý làm việc– từ đó tạo ra cái nhìn trực quan hơn cho sinh viên tiếp xúc với ngành ô tô điện tươnglai

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Đà Nẵng Đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu

cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Nhờ có những lời hướng dẫn,dạy bảo của các thầy nên đề tài nghiên cứu của em mới có thể hoàn thiện tốt đẹp

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Minh Mận – người đã trực

tiếp giúp đỡ, quan tâm, hướng dẫn em hoàn thành tốt bài báo cáo này trong thời gianqua

Bài báo cáo thực tập thực hiện trong khoảng 1 học kỳ Bước đầu đi vào thực tếcủa em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ nên không tránh khỏi những thiếu sót, em rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô để kiến thức của

em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn đồng thời có điều kiện bổ sung, nâng cao ýthức của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

TÓM TẮT

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

Mục lục iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi

Mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Mục tiêu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Bố cục 3

Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ điện một chiều 5

2.1 Đặt vấn đề 5

2.2 Động cơ điện một chiều: 5

2.1.1 Khái niệm 5

2.1.2 Cấu tạo: 5

2.1.1.1 Phần tĩnh hay stator: 5

2.1.1.2 Phần quay hay rotor: 8

2.1.3 Nguyên lý làm việc: 11

2.1.4 Phân loại: 11

2.1.4.1 Kích từ độc lập và song song 12

2.1.4.2 Kích từ nối tiếp 13

2.1.4.3 Kích từ hỗn hợp 14

2.3 Động cơ không chổi than BLDC (Brushless DC) 14

2.3.1 Khái niệm 15

2.3.2 Cấu tạo 15

2.3.2.1 Stator 16

2.3.2.2 Rotor 18

2.3.2.3 Cảm biến Hall ( Hall sensor ) 18

2.3.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử ( Electronic Commulator ) 20

2.4 So sánh động cơ một chiều có chổi than (DC) và không chổi than ( BLDC) 24

2.5 Các cách điều khiển tốc độ động cơ một chiều 25

2.5.1 Khái niệm chung 25

2.5.2 Thay đổi từ thông 26

2.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp 28

2.5.4 Thay đổi điện áp phần cứng 29

2.6 Giới thiệu linh kiện phần cứng sử dụng 30

2.6.1 ESP8266 nodeMCU 31

2.6.2 Mạch điều khiển động cơ BTS7960 32

2.6.3 Relay trung gian Ecnko Hh62p 34

2.6.4 Module relay 5V 35

2.6.5 LCD 16x02 36

2.6.6 Nút nhấn tự giữ 37

2.6.7 Vi điều khiển 38

2.6.8 Mạch hạ áp LM2596 42

2.6.9 Nguồn tổ ong 10A 43

Chương 3: Tính toán và thiết kế 46

3.1 Đặt vấn đề 46

3.2 Tính toán và thiết kế 46

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối 46

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 47

3.2.2.1 Khối điều khiển và hiển thị 47

3.2.2.2 Khối ngoại vi 48

3.2.2.3 Khối relay 48

3.2.2.4 Khối driver 49

3.2.2.5 Khối nguồn hạ áp 50

Chương 4: Thi công hệ thống 51

4.1 Thi công hệ thống 51

4.2 Lập trình hệ thống 51

4.2.1 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 51

4.2.1.1 Giới thiệu về Arduino 51

4.2.1.2 Giới thiệu về app Blynk 53

6.2 Định hướng tương lai 64 Tài liệu tham khảo 65

Hình 1.1 Ô nhiễm môi trường do khói bụi

Hình 1.2 Ô tô điện là tương lai của thế giới

Hình 2.9:Cấu tạo động cơ điện một chiều

Hình 2.10: Sơ đồ cấu tạo động cơ điện một chiều

Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Hình 2.12: Đường đặc tính cơ của đông cơ kích từ độc lập và song song.Hình 2.13: Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

Hình 2.14: Đặc tính động cơ kích từ hỗn hợp

Hình 2.15: Động cơ một chiều không chổi than

Hình 2.16: Cấu tạo của động cơ BLDC của Micrichip

Hình 2.17: Stator trong động cơ không chổi than

Hình 2.18: Các dạng sức điện động của động cơ BLDC

Hình 2.19: Các loại Rotor động cơ BLDC

Hình 2.20: Mặt cắt ngang của động cơ 1 chiều không chổi than

Hình 2.21: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây Stator

Hình 2.22: Minh họa nguyên lí làm việc của BLDC truyền động một cựcHình 2.23: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

Hình 2.24: Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC

Hình 2.25 Động cơ BLDC và động cơ DC

Hình 2.26: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

Hình 2.27: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp

Hình 2.28: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Hình 2.29: Mô hình mạch ESP8266 nodeMCU

Hình 2.30: Cấu tạo mô hình ESP8266 nodeMCU

Hình 2.31: Mô hình mạch điều khiển động cơ BTS7960

Hình 2.32: Sơ đồ mạch relay trung gian Ecnko Hh62p

Hình 2.33: Sơ đồ module relay 5V

Hình 2.39 Sơ đồ cơ bản để LM2596 cho điện áp đầu ra ổn định ở 5V và dòng đạt3A

Hình 2.40: Nguồn tổ ong

Hình 2.41: Cấu tạo của nguồn than tổ ong

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điện tử mô hình điều khiển động cơ

Hình 3.2: Sơ đồ mạch của hệ thống điều khiển và hiển thị

Hình 3.3: Sơ đồ mạch của khối ngoại vi

Hình 3.4: Sơ đồ mạch khối relay

Hình 3.5: Sơ đồ mạch khối Driver

Hình 3.6: Sơ đồ mạch của khối nguồn hạ áp

Hình 4.1 Vật liệu Alu được sử dụng để làm hộp đựng cho toàn mạch

Hình 4.2: Phần mềm lập trình Arduino

Hình 4.3: Ứng dụng Blynk

Hình 4.4: Ứng dụng Blynk kết nối được với nhiều loại

Hình 5.1: Hình chiếu bằng – từ trên xuống

Hình 5.2: Hình chiếu cạnh – từ trái sang

Hình 5.3: Hình chiếu đứng

Hình 5.4: Hình chiếu bằng – từ dưới lên

Hình 5.5: Hình ảnh 3D của mô hình – phía sau

Hình 5.6: Hình ảnh 3D của mô hình – từ đằng trước

Hình 5.7: Hình chụp thực tế của mô hình từ bên cạnh

Hình 5.8: Hình chụp thực tế của mô hình ở bên dưới

Hình 5.9: Hệ thống đi dây thông minh của mô hình

Trong thời điểm hiện tại, nền kinh tế tăng cường mạnh, công nghiệp tăng cao,các nước liên tục trong công cuộc khai thác tài nguyên khoáng sản Đồng nghĩa với đótài nguyên khoáng sản đang dần dần cạn kiệt, làm cho giá thành tăng cao, ảnh hưởngđến kinh tế, chính trị điển hình như giá xăng, dầu, Xăng dầu là nguồn tài nguyênhữu hạn, chính vì thế sức ảnh hưởng của nó là không nhỏ Vì là vấn đề chính gây ra ônhiễm không khí, phá hủy tầng ozon, phá hoại môi trường sống của nhiều vùng biểnnên con người đã nghĩ đến những nguồn năng lượng thay thế, có thể tái tạo, thân thiệnvới môi trường Và nguồn năng lượng đang được tin cậy và khai thác nhất là nănglượng điện Năng lượng điện được truyền qua dây đồng tùy theo khoảng cách để sửdụng Trong cuộc sống hiện đại, năng lượng điện có mặt ở khắp nơi, từ ngôi nhà chúng

ta đang ở cho tới những tòa nhà với quy mô lớn Năng lượng điện cũng là nguồn nănglượng quan trọng trong các ngành công nghiệp và đang được thay thế dần cho cácphương tiện giao thông, giảm thiểu sự ô nhiễm hơn nguồn năng lượng hóa thạch đangdần dần cạn kiệt Nguồn năng lượng này là tương lai cho toàn nhân loại, đang đượcứng dụng, phát triển, khai thác triệt để chính vì thế chungs ta sẽ không còn lạ lẫm khicác hệ thống giao thông, phương tiện điện ra đời Hầu hết các nhà sản xuất đang tậptrung phát triển năng lượng điện cho nhu cầu đi lại bằng cách sản xuất các mẫu xe điệnngày càng thịnh hành trong cuộc sống

Nhóm chúng em thực hiện nghiên cứu và tạo ra một mô hình sản phẩm điềukhiển mô tơ xe điện chạy theo lập trình và thủ công, Sử dụng các bo mạch điện, phầnmềm lập trình cho ra kết quả đúng như mục tiêu

Mục tiêu hướng tới các lớp giảng dạy, để mọi người nắm rõ lý thuyết và nguyên

lý hoạt động của ngành ô tô điện trong tương lai và từ đó phát triển mạnh mẽ hơn

Đồ án của chúng em sẽ tìm hiểu khái quát về động cơ điện, đang được áp dụngtrên các mẫu xe điện, ô tô điện cỡ nhỏ dùng trong phân xưởng và từ đó thiết kế để ápdụng trong cuộc sống sao cho phù hợp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề

Trong thời điểm hiện tại, nền kinh tế tăng cường mạnh, công nghiệp tăng cao,các nước liên tục trong công cuộc khai thác tài nguyên khoáng sản Đồng nghĩa với đótài nguyên khoáng sản đang dần dần cạn kiệt, làm cho giá thành tăng cao, ảnh hưởngđến kinh tế, chính trị điển hình như giá xăng, dầu, Xăng dầu là nguồn tài nguyênhữu hạn, chính vì thế sức ảnh hưởng của nó là không nhỏ Vì là vấn đề chính gây ra ônhiễm không khí, phá hủy tầng ozon, phá hoại môi trường sống của nhiều vùng biểnnên con người đã nghĩ đến những nguồn năng lượng thay thế, có thể tái tạo, thân thiệnvới môi trường Và nguồn năng lượng đang được tin cậy và khai thác nhất là nănglượng điện Năng lượng điện được truyền qua dây đồng tùy theo khoảng cách để sửdụng Trong cuộc sống hiện đại, năng lượng điện có mặt ở khắp nơi, từ ngôi nhà chúng

ta đang ở cho tới những tòa nhà với quy mô lớn Năng lượng điện cũng là nguồn nănglượng quan trọng trong các ngành công nghiệp và đang được thay thế dần cho cácphương tiện giao thông, giảm thiểu sự ô nhiễm hơn nguồn năng lượng hóa thạch đangdần dần cạn kiệt Nguồn năng lượng này là tương lai cho toàn nhân loại, đang đượcứng dụng, phát triển, khai thác triệt để chính vì thế chungs ta sẽ không còn lạ lẫm khicác hệ thống giao thông, phương tiện điện ra đời Hầu hết các nhà sản xuất đang tậptrung phát triển năng lượng điện cho nhu cầu đi lại bằng cách sản xuất các mẫu xe điệnngày càng thịnh hành trong cuộc sống

Hình 1.1 Ô nhiễm môi trường do khói bụiKhông quá bất ngờ nếu trong những năm tiếp theo các phương tiện giao thông

Hình 1.2 Ô tô điện là tương lai của thế giới

1.2 Mục tiêu

Khảo sát các mô tơ xe điện tự hành đang thực hiện hiện nay trên thị trường

Tham khảo các tài liệu khảo sát, các phần mềm mô phỏng phục vụ học tập và cáctài liệu về điều khiển mơ tơ (động cơ điện)

Đồ án của chúng em sẽ tìm hiểu khái quát về động cơ điện, đang được áp dụngtrên các mẫu xe điện, ô tô điện cỡ nhỏ dùng trong phân xưởng và từ đó thiết kế để ápdụng trong cuộc sống sao cho phù hợp Nhiệm vụ của đồ án thực hiện được các yêucầu sau:

 Tìm hiểu về loại động cơ sẽ được dùng trong mô hình - động cơ điện một chiều

 Tìm phương pháp điều khiển mô hình

 Thiết kế và thi công mô hình điều khiển motor xe tự hành

 Ứng dụng điều khiển từ xa cho mô hình

 Mô hình hoạt động ổn định, quan sát được tốc độ mô hình

1.3 Nội dung nghiên cứu

Giới thiệu tổng quan và các phần đến mục đích, phương pháp, ý nghĩa của đề tài.Xây dựng cơ sở lý thuyết mô phỏng các thông số của động cơ điện một chiềudùng trong xe điện tự hành

Tính toán kiểm tra và mô phỏng một số chi tiết, thông số cơ bản ở các chế độđiều khiển được khảo sát Trình bày nguyên lý làm việc qua một số giao diện thực tếkhi kết nối và điều khiển hai mô tơ cho xe điện tự hành

Đánh giá kết quả tính toán kiểm tra một số thông số và mô hình được xây dựng

để điều khiển cho xe điện tự hành trong nghiên cứu

 Phân loại động cơ điện một chiều

 Động cơ không chổi than

 Tìm hiểu các cách điều khiển động cơ điện một chiều

 Giới thiệu linh kiện phần cứng sử dụng

 Chương 3: Tính toán và thiết kế

 Sơ đồ khối của hệ thống

 Thiết kế các khối trong hệ thống

 Chương 4: Thi công hệ thống

 Thi công hệ thống

 Lập trình hệ thống

 Chương 5: Đánh giá và kết quả

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU2.1 Đặt vấn đề

Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong hệđiều chỉnh tự động truyền động điện, nó được sử dụng rộng trong hệ thống đòi hỏi có

độ chính xác cao vùng điều chỉnh rộng và qui luật điều chỉnh phức tạp Cùng với sựtiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chưng kiến sự phát triển rầm rộ kể cả

về qui mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại Trong sự phát triển đó ta cũng có thể

rễ ràng nhận ra và khẳng định rằng điện năng và máy tiêu thụ điện năng đóng vai tròquan trọng không thể thiếu được Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề nhưng cũnglàm mũi nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp.Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy điện

2.2 Động cơ điện một chiều:

2.1.1 Khái niệm

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện từquay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và chodòng điện chạy qua dây dẫn thì trường se tác dụng một lực từ vao dòng điện (vào dâydẫn) và làm dây dẫn chuyển động Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng

2.1.2 Cấu tạo:

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phầnđộng

2.1.1.1 Phần tĩnh hay stator:

Phần tĩnh hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường Gồm

có mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ băngnam châm điện)

sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực

từ này được nối tiếp với nhau

Hình 2.1: Cấu tạo cực từ chính

b Cực từ phụ:

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máynhờ những bulông

Hình 2.2: Vị trí của cực từ phụ

c Gông từ:

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớnthường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Hình 2.3: Gông từ cũng là vỏ máy

d Các bộ phận khác:

Bao gồm:

Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn

và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn cótác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

Hình 2.4: Nắp máy được đặt trước trục để bảo vệ phần trong của động cơ

Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than baogồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổithan được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quayđược để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít

cố định lại

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất định.Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến đồnggọi là phiến góp.

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổgóp hay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành

cổ góp nhờ lò xo

a Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cáchđiện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên

lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió đểkhi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ,giữa những đoạn này có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việc gióthổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt Trong động cơ điện một chiều nhỏ,lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt

có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọnglượng rôto

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặthoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit.

Hình 2.7: Các cuộn dây cuốn

c Cổ góp:

Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồm nhiềuphiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm vàhợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt

lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một

ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

Hình 2.8: Cổ góp

Hình 2.9 :Cấu tạo động cơ điện một chiều

Hình 2.10: Sơ đồ cấu tạo động cơ điện một chiều

2.1.3 Nguyên lý làm việc:

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng:

 Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ đẻ sinh ra từ thông kích từ

 Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phầnứng

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng cóđiện Các thanh dẫn co dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôtquay Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do cóphiếu góp nhiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.Khi quay Các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiềucủa suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ chiếu sđđ

Eưngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sứ phản điện động

Phương trình điện áp động cơ điện một chiều: U =Eư +Rư Iư (2.1)Trong đó: Eư: sức điện động phần ứng

Rư: điện trở phần ứng

Iư Dòng điện phần ứng

Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

2.1.4 Phân loại:

Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:

Kích từ độc lập: cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn độc lập với cuộn ứng Khi

nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắcvào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên : I = Iư

(2.2)

Kích từ song song: cuộn kích từ được mắc song song với cuộn ứng Khi nguồn

một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp ko đổi, mạch kích từ được mắc song

Hình 2.12: Đường đặc tính cơ của đông cơ kích từ độc lập và song song.Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và momen điện từ  =f(M), khi

Ikt=const

Dòng kích từ được xác định bằng:

Ikt = Ukt /Rkt ,  = kt.ikt (2.4)Phương trình đặc tính cơ điện:

ckt

Ru

ω=ω0−∆ ω (2.6)

 = R ư +R f

k I ư= R (k) ư +R2 f M (2.7)

2.1.4.2Kích từ nối tiếp

Kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với cuộn ứng, cuộn kích từ có

tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có : I = Iư = It (2.8)

Hình 2.13: Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

Kích từ hỗn hợp : kết hợp kích từ nối tiếp và song song Với mỗi loại động cơ

trên là tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển và ứng dụng là tươngđối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân tố I=I ư =I t (2.19)

Hình 2.14: Đặc tính động cơ kích từ hỗn hợpĐộng cơ gồm 2 cuộn kích từ: cuộn nối tiếp và cuộn song song Đặc tính cơ củađộng cơ này giống như đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hoặc song song phụcthuộc vào cuộn kích từ nào giữ vai trò quyết định Ở động cơ nối thuận, stđ của 2 cuộndây cùng chiều nhưng giữ vai trò chủ yếu là cuộn song song So sánh đặc tính cơ củađộng cơ kích từ hỗn hợp với nối tiếp ta thấy ở động cơ kích từ hỗn hợp có tốc độkhông tải (kho không tải từ thông nối tiếp bằng không nhưng từ thông kích từ songsong khác khác không nên có tốc độ không tải) khi dòng tải tăng lên, từ thông cuộnnối tiếp tác động, đặc tính cơ mang tính chất động cơ nối tiếp trên hình thứ 2 biểu diễn

đặc tính n=f(I) (2.20) của động cơ kích từ song song (đường 1), của động cơ kích từ

2.3 Động cơ không chổi than BLDC (Brushless DC)

2.3.1 Khái niệm

Động cơ DC không chổi than-BLDC (Brushles Dc motor) là một dạng động cơđồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trênrotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator Cũng giống nhưđộng cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 độtrong không gian của stator Các thanh nam châm được dán chắc chắn vào thân rotorlàm nhiệm vụ kích từ cho động cơ Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơBLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là đông cơ BLDC bắtbuộc phải có cảm biến vị trí rotor để cho động cơ hoạt động Nguyên tắc điều khiểncủa động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây statortương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính

vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải

có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ

Hình 2.15: Động cơ một chiều không chổi than

2.3.2 Cấu tạo

Khác với động cơ một chiều bình thường, động cơ một chiều không chổi than BLDC

có phần ứng đứng yên nằm trên stator và phần cảm quay nằm trên rotor

Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn, trong cácrãnh của stator đặt cuộn ứng như trong các rãnh phần ứng bình thường.

Rotor thường là nam châm vĩnh cửu

Hình 2.16: Cấu tạo của động cơ BLDC của Micrichip

2.3.2.1Stator

Hình 2.17: Stator trong động cơ không chổi thanStator: chỉ phần đứng yên, phần đứng, phần không chuyển động của một hệthống máy quay, là phần ngược lại của Rotor

Khác với động cơ một chiều thông thường, Stator của động cơ BLDC chứa dây

thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảmứng khác Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác Hầu hết tất cả cácđộng cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặchình tam giác Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lưng các bối dây nối liềnvới nhau Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền nhau để tạonên một cuộn dây Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của statortheo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực Cách bố trí và số rãnh củastator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau.

Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sựkhác nhau của hình dáng sức phản điện động Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điệnđộng là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính vì sự khác nhau này mà tên gọicủa động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ BLDC hình sin và động cơ BLDC hìnhthang Dòng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang.Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì phải cóthêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tínhmomen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn

a) Sức điện động hình thang b) sức điện động nam châmvĩnh cửu

Hình 2.18: Các dạng sức điện động của động cơ BLDC

Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3pha Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Phụ thuộc vàokhả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp Động cơnhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏCác động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và cácứng dụng công nghiệp

2.3.2.2Rotor

Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnhcửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục củađộng cơ có dạng hình trụ rỗng

Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu.Số lượng đôi cực dao động từ 2đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau

Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợpđược chọn tương ứng Nam châm Ferrite thường được sử dụng Khi công nghệ pháttriển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến Nam châm Ferrite rẻ hơn nhưngmật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp Trong khi đó, vật liệu hợp kim có mật

độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của rotor nhưng vẫn đạtđược momen tương tự Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợpkim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite

Hình 2.19: Các loại Rotor động cơ BLDC

2.3.2.3Cảm biến Hall ( Hall sensor )

được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ làmviệc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự Tức là tại một thời điểm thì khôngngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ởđâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điều quan trọng là cần phải biết vị trí của rotor đểtiến tới biết được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện.

Vị trí của rotor được đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trongstator

Hầu hết tất cả các độn cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến Hall dặt ẩnbên trong stator,ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ Mỗi khi các cực nam châmcủa rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall,các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu caohoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến Dựa vào tổ hợp của cáctín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định Tín hiệu màcác cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall Đó là khi có một dòng điệnchạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằmngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một phía củavật dẫn Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởngcủa từ trường Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn

Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấytên người tìm ra nó vào năm 1879

Trên hình là mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than với rotor cócác nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng yên của độngcơ.Việc đặt cảm biến Hall trong stator là quá trình phức tạp vì bất cứ một sự mất cânđối sẽ dẫn đến việc tạo ra một sai số trong việc

xác định vị trí rotor Để đơn giản quá trình gắn cảm biến lên stator, một vài động

cơ có các nam châm phụ của cảm biến Hall được gắn trên rotor, thêm vào so với namchâm chính của rotor Đây là phiên bản thu nhỏ của nam châm trên rotor Do đó, mỗikhi rotor quay, các nam châm cảm biến rotor đem lại hiệu ứng tương tự như của namchâm chính Các cảm biến Hall thông thường được gắn trên mạch in và cố định trênnắp đậy động cơ Điều này cho phép người dùng có thể điều chỉnh hoàn toàn việc lắpráp các cảm biến Hall để căn chỉnh với nam châm rotor, đem lại khả năng hoạt độngtối đa

Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến Các cảm biếnHall có thể được đặt dịch pha nhau các góc 600 hoặc 1200 tùy thuộc vào số đôi cực.Dựa vào điều này, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch màcần phải thực hiện trong quá trình điều khiển động cơ

Các cảm biến Hall cần được cấp nguồn Điện áp cấp có thể từ 4 đến 24V Yêucầu dòng từ 5 đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần để ý đến đặc điểm kỹ thuậttương ứng của từng loại động cơ để biết được chính xác điện áp và dòng điện của cáccảm biến Hall được dùng Đầu ra của các cảm biến Hall thường là loại open-collector,

vì thế ,cần ó điện trở treo ở phía bô điều khiển nếu không có điện trở treo thì tín hiệu

mà chúng ta có được không phải là tín hiệu xung vuông mà la tín hiệu nhiễu

2.3.2.4Bộ phận chuyển mạch điện tử ( Electronic Commulator )

Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng được bố trí trênstator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử

sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor

Do trong cấu trúc của động cơ một chiều không chổi than cần có cảm biến vị trí

2.3.3 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.21: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây Stator

Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết được vị trí chính xác của rotor để điềukhiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây stator theotrình tự hợp lí Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây (như pha A)được cấp điện dương (dòng đi vao trong cuộn dây pha A), cuộn dây thứ 2 (pha B)được cấp điện âm (dòng từ cuộn dây đi ra pha B) và cuộn thứ 3 (pha C) không cấpđiện Momen được sinh ra do tương tác giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây củastator với nam châm vĩnh cửu Một cách lí tưởng, momen lớn nhất xảy ra khi 2 từtrường lệch nhau và giảm xuống khi chúng di chuyển Để giữ động cơ quay, từ trườngtạo ra bởi những cuộn dây stator phải quay “đồng bộ” với từ trường của rotor một gócα

Động cơ không chổi than không lan truyền dòng điện đến các cuộn dây rôto bởi

vì các cuộn dây này không hề nằm trên rôto Thay vào đó, rotor chính là một nam

stator Vì các cuộn dây này không di chuyển nên người ta không cần chổi than cũngnhư cổ góp

Trong động cơ không chổi than, người ta sẽ quay nam châm vĩnh cửu bằng cáchthay đổi hướng của từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây được sắp xếp đứng yênxung quanh nó Để điều khiển chuyển động quay đó, bạn cần điều chỉnh độ lớn kếthợp hướng của dòng điện chạy vào các cuộn dây này

2.3.4 Các hệ thống truyền động điện dung động cơ BLDC

2.3.4.1Truyền động không đảo chiều ( truyền động môt cực tính )

Hình 2.22: Minh họa nguyên lí làm việc của BLDC truyền động một cực

Hình 2.23: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

stator, phototransistor PT1 được chiếu sáng, do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (Base)của transistor Tr1 làm cho Tr1 mở Ở trạng thái này, cực Nam được tạo thành ởcực lồi P1 bởi dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 đã hút cực Bắc của rotor làm chorotor chuyển động theo hướng mũi tên.

Khi cực Bắc của rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 của stator, lúcnày màn chắn gắn trên trục động cơ sẽ che PT1 và PT2 được chiếu sáng, Tr2 mở, dòngI2 chảy qua Tr2 Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và tạo ra cực Nam trên cựclồi P2 thì cực Bắc của rotor sẽ quay theo chiều mũi tên đến vị trí đối diện với cực lồiP2 Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 và phototransistor PT3 được chiếu sáng.Lúc này chiều của dòng điện có chiều từ W2 sang W3 Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kíchthích trong khi đó cực lồi P3 lại được kích hoạt và tạo thành cực lồi Do đó, cực Bắccủa rotor di chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lại các chuyểnmạch như vậy theo thứ tự cho ở hình 1.11, rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ sẽquay theo chiều xác định một cách liên tục

2.3.4.2Truyền động có đảo chiều ( truyền động hai cực tính )

Hình 2.24: Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC

Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trên stator

là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơđiện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng cácbóng transistor công suất được điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor

Về bản chất chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập cới 6 van chuyểnmạch được bố trí trên hình 2.24 Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đối vớicác loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET còncác loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thường dùng van IGBT Để thựchiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn thì các diode được mắc songsong với các van Để điều khiển các van bán dẫn của chuyển mạch điện tử, bộ điềukhiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rôt để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điệntrong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành góp chổi than của động cơmột chiều thông thường

2.4 So sánh động cơ một chiều có chổi than (DC) và không chổi than ( BLDC)

Động cơ DC và động cơ BLDC có những khác biệt khá lớn Bảng so sánh ưunhược điểm của hai loại động cơ này Giúp cho người sử dụng thấy rõ sự khác biệt vềhai loại động cơ này

THANH THIÊN – VĂN CHẨN THS PHẠM MINH MẬN 25

Đảo chiều bằng điện tửdựa trên thông tin từcảm biến vị trí Rotor

Động cơ BLDC sửdụng chuyển mạch điện

tử thay thế cho chuyểnmạch cơ

Bảo trì Định kỳ ( bị mònchổi than) Rất ít hoặc không cầnbảo trì Không phải bảo trì chổithan, cổ góp

Hiệu

Điện áp rơi trên cáclinh kiện điện tử nhỏhơn điện áp rơi trênchổi than

Tuổi

Do động cơ BLDCkhông có chổi than, cổgóp

Điều

Động cơ BLDC có cảmbiến Hall trả giá trị về

để điều khiển các van

Do động cơ BLDC