Thiết kế, lập trình điều khiển bldc sử dụng trên ô tô thay thế các động cơ có chổi than

51 Trang 20 DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT AC motor Alternating current motor Động cơ xoay chiều BLDC motor Brushless direct current motor Động cơ điện một chiều không chổi than DC motor Diret

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĂN THỂ

THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BLDC SỬ DỤNG TRÊN

Ô TÔ THAY THẾ CÁC ĐỘNG CƠ CÓ CHỔI THAN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĂN THỂ

THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BLDC SỬ DỤNG TRÊN

Ô TÔ THAY THẾ CÁC ĐỘNG CƠ CÓ CHỔI THAN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

LỜI CẢM ƠN

Nước ta từ ngàn xưa đã có truyền thống “Tôn sư trọng đạo”, “uống nước nhớ nguồn” Bản thân mỗi người chúng ta như là một nhân tốt quyết định nên truyền thống

đó có được vẻ vang hay không thể hiện bằng chính hành động của mỗi người Cha ông

ta luôn biết khắc ghi ơn nghĩa và báo đáp tình cảm này bằng các việc làm ích nước lợi dân Như quan báo đáp ân vua bằng việc lao mình ra trận tuyến để đánh đuổi giặc ngoại xâm; như dân báo đáp ân nước bằng việc ra sức lao động để đóng góp ngân sách cho nước nhà; như con báo đáp ân cha mẹ bằng việc sống hòa thuận anh em, thương yêu gia đình và sống có đạo đức; như trò báo đáp ơn thầy bằng việc ra sức học tập, rèn luyện nhân tâm để xây dụng quê hương giàu đẹp

Hôm nay, em viết lời cảm ơn này, bằng cả tấm lòng của một học viên gần 3 năm gắn bó theo học ngôi trường mang tên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Em xin gửi lời tri ân đến thầy Đỗ Văn Dũng, người thầy mà biết bao thế hệ sinh viên chúng

em yêu quý Thầy là người luôn gần gũi với sinh viên, hy sinh gần cả cuộc đời cho sự nghiệp giáo dục, không có lời nào diễn tả được công ơn của thầy Em kính chúc thầy thật nhiều sức khỏe thật nhiều hạnh phúc và bình an Qua đây em cũng xin gửi lời cảm

ơn đến quý thầy quý cô đang công tác tại Trường đã luôn hỗ trợ em trong việc hoàn thành luận văn Thạc sỹ Xin gửi lời kính chúc đến quý Thầy cô luôn mạnh khỏe và tràn đầy năng lượng để vững bước trong sự nghiệp trồng người

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tác giả

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 09 năm 2023

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

TÓM TẮT

Động cơ điện một chiều gọi tắt là DC motor được ứng dụng trên ô tô khá phổ biến

từ động cơ có kích thước nhỏ đến động cơ có kích thước lớn; từ động cơ công suất nhỏ

đến động cơ công suất lớn; từ hệ thống cơ bản đến hệ thống quan trọng trên hệ thống

điện - điện tử ô tô Tuy nhiên động cơ DC có chổi than trên ô tô có nhiều hạn chế, ảnh

hưởng đến công suất, ảnh hưởng đến tuổi thọ do chổi than mau mòn, đồng thời tia lửa

điện trên chổi than tạo ra nhiễu điện từ Công nghệ động cơ điện ngày càng phát triển

dần hay thế động cơ DC có chổi than Hiện nay, có rất nhiều động cơ điện từ động cơ

điện đồng bộ đến động cơ điện không đồng bộ một trong số động cơ điện được phát

triển đó có loại động cơ điện một chiều không chổi than gọi tắt là BLDC được ứng dụng

trong cuộc sống khá phổ biến Trên cơ sở mô phỏng trên Simulink Matlab và thực

nghiệm, tác giả đã thực hiện đề tài “Thiết kế, lập trình điều khiển BLDC sử dụng trên ô

tô thay thế các động cơcó chổi than” Công cụ sử dụng để thực hiện là phần mềm Matlab

Simulink và thiết kế mô hình thực tế điều khiển bằng Arduino sau đó hiển thị trên OLED

thể hiện thông số của hệ thống Nghiên cứu thay thế động cơ DC bằng động cơ khác là

một bước tiến trong ngành động cơ điện Động cơ BLDC là một lựa chọn tuyệt vời

ABSTRACT

DC motors for short are widely used in automobiles from small-sized motors to large-sized motors; from small-capacity motors to large-capacity motors; from the basic system to the important system of the automotive electrical-electronic system, DC motors have been applied in the system However, the DC motor has many limitations that affect the capacity as well as the economy when using this motor Electric motor technology is gradually developing or replacing DC motors; the engine that has many features also has many limitations to developing and manufacturing a more optimal electric motor Currently, there are many electric motors from synchronous electric motors to asynchronous electric motors, one of the developed electric motors is a brushless DC motor called BLDC for short, which is used in our daily life quite common Realizing many features compared to traditional DC motors with many Simulink Matlab simulations, I conducted an experiment "Designing and programming BLDC control for use in cars to replace brush motors" The tool used to implement is Matlab Simulink software and design a realistic model controlled by Arduino and then displayed on the OLED to show the system's parameters Research into replacing DC motors with another motor is a step forward in the electric motor industry BLDC motor

is a great option

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 3

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 3

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước 5

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 5

1.4 Mục tiêu đề tài 6

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 6

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 6

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 6

1.6.1 Nội dung nghiên cứu 6

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu 6

1.7 Kết quả dự kiến đạt được 7

1.8 Bố cục luận văn 7

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Động cơ BLDC 8

2.1.1 Tổng quan về động cơ BLDC 9

2.1.2 Điều khiển động cơ BLDC 13

2.1.3 So sánh động cơ BLDC so với động cơ DC và AC 18

2.2 Arduino 20

2.3 OLED 21

2.4 PWM 23

2.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (ECT – Engine Coolant Temperature) 24

Chương 3:MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK, LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 26 3.1 Đối tượng thực hiện 26

3.2 Mô phỏng dùng Matlab/Simulink 27

3.2.1 Matlab/Simulink 27

3.2.2 Thiết kế giá đỡ động cơ 29

3.3 Lập trình điều khiển sử dụng bằng Arduino 32

Chương IV:THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ 36

4.1 Mục tiêu thử nghiệm 36

4.2 Thiết bị thử nghiệm 36

4.3 Kết quả cuối cùng 36

4.3.1 Kết quả mô phỏng khi mô phỏng bằng Matlab/Simulink 36

4.3.2: Kết quả thực nghiệm 41

4.4 Giải pháp dự phòng nếu mạch điều khiển hư hỏng 48

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

5.1 Kết luận 49

5.2 Kiến nghị 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 53

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

AC motor Alternating current motor Động cơ xoay chiều

BLDC motor Brushless direct current motor Động cơ điện một chiều

không chổi than

DC motor Diret current motor Động cơ một chiều có chổi

than ECM Engine Control Module Hộp điều khiển động cơ

ECT sensor Engine coolant temperater sensor Cảm biến nhiệt độ nước làm

mát động cơ

EMF - back Electromotive force - back Lực điện động phản hồi

OLED Organic light-emitting diode Màn hình diode phát quang

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2 1: Bảng trạng thái hoạt động của mạch cầu 3 pha 15

Bảng 2 2: Bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC[9] 18

Bảng 2 3: Bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ AC [9] 19

Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật động cơ DC và động cơ BLDC 29

Bảng 3 2: Bảng vẽ 3D động cơ DC và động cơ BLDC bằng Solidworks 30

Bảng 3 3: Bảng thiết kế đế động cơ BLDC bằng Solidworks 31

Bảng 3 4: Bảng kết quả đặc tính nhiệt độ và điện trở của cảm biến ECT 32

Bảng 4 1: Kết quả khảo sát đặc tính dòng điện không tải của động cơ BLDC 41

Bảng 4 2: Kết quả khảo sát đặc tính dòng điện khi có tải của động cơ BLDC 42

Bảng 4 3: Kết quả khảo sát đặc tính tốc độ không tải của động cơ BLDC 44

Bảng 4 4: Kết quả khảo sát đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ BLDC 45

Bảng 4 5: Kết quả khảo sát đặc tính điện áp khi có tải của động cơ BLDC 46

Bảng 4 6: Kết quả khảo sát khả năng làm mát của động cơ BLDC 47

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1: Động cơ BLDC 12VDC-100W 9Hình 2 2: Sóng sức phản điện động stator dạng hình thang 10Hình 2 3: Đặc tính của động cơ BLDC thông qua moment và tốc độ 11Hình 2 4: Đặc tính động cơ BLDC giám sát điều khiển bởi Hall sensors 11Hình 2 5: So sánh tín hiệu Hall và EMF phản hồi 12Hình 2 6: Sơ đồ khối điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến Hall 13Hình 2 7: Mạch cầu 3 pha điều khiển động cơ BLDC 14Hình 2 8: Kiểu chuyển đổi cho chế độ dẫn 120º 14Hình 2 9: Dòng điện ba pha 15Hình 2 10: Mạch điều khiển động cơ BLDC 12VDC – 100W 16Hình 2 11: Bộ chuyển mạch điện tử động cơ BLDC 16Hình 2 12: Hình ảnh và các chức năng của board Arduino Uno R3 20Hình 2 13: Màn hình OLED SSD1306 21Hình 2 14: Màn hình OLED SH1106 21Hình 2 15: Chân điều khiển OLED SH1106 22Hình 2 16: Hình ảnh về sự thay đổi duty cycle trong PWM 23Hình 2 17: Hình ảnh về mối tương quan giữa PWM và tín hiệu analogWrite 23Hình 2 18: ECT sensor 24Hình 2 19: Cấu tạo ETC sensor 24Hình 2 20: ECT sensor và mạch điện điều khiển 25Hình 3 2: Sơ đồ mạch điện điều khiển Quạt làm mát trên xe TOYOTA Vios 2010 26Hình 3 3: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động BLDC trên Simulink 27Hình 3 4: Khối giải mã tín hiệu Hall 28

Hình 3 5: Khối điều khiển dải trễ dòng điện HCC 28Hình 3 6: Động cơ DC truyền thống 29Hình 3 7: Động cơ BLDC thay thế 29Hình 3 8: Động cơ DC vẽ 3D bằng Solidworks 30Hình 3 9: Động cơ BLDC vẽ 3D bằng Solidworks 30Hình 3 10: Thiết kế phần đế cho động cơ BLDC 31Hình 3 11: Đế động cơ BLDC 31Hình 3 12: Đặc tính nhiệt độ và điện trở cảm biến ECT 33Hình 3 13: Thuật toán điều khiển động cơ BLDC 34Hình 3 14: Mạch điện điều khiển động cơ BLDC qua phần mềm mô phỏng Proteus 35Hình 4 1: Đáp ứng tốc độ và moment 37Hình 4 2: Nhấp nhô moment do PWM và do chuyển mạch dòng điện 38Hình 4 3: Sức phản điện động 38Hình 4 4: Dòng điện 3 pha 39Hình 4 5: Dòng điện và sức phản điện động 3 pha 39Hình 4 6: Quỹ đạo từ thông khi không tải 40Hình 4 7: Quỹ đạo từ thông khi có tải 40Hình 4 8: Sự chuyển mạch dòng điện không lý tưởng và đập mạch PWM 41Hình 4 9: Đồ thị đặc tính động cơ BLDC khi khảo sát dòng điện không tải 42Hình 4 10: Đồ thị đặc tính động cơ BLDC khi khảo sát dòng có gắn tải 43Hình 4 11: Đồ thị đặc tính động cơ BLDC khi khảo sát tốc độ không tải 44Hình 4 12: Đồ thị đặc tính động cơ BLDC khi khảo sát tốc độ có gắn tải 45Hình 4 13: Đồ thị đặc tính động cơ BLDC khi khảo sát điện áp có gắn tải 46Hình 4 14: Khả năng làm mát của động cơ BLDC khi thay thế 47

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Trong hầu hết các lĩnh vực ngày nay đều ứng dụng động cơ điện Ở nhiều nước động

cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển Ngành công nghiệp ô tô hiện đang

là một thị trường tiềm năng với dân số theo số liệu của Liên hợp quốc, tính đến ngày 29/6/2023 dân số Thế giới là 8.031.418.653 người, trong đó dân số Việt Nam là 99.694.772 người Với dân số ngày càng tăng việc tiêu thụ ô tô sẽ ngày càng tăng có thể bùng nổ mạnh mẽ ở các thị trường mới nổi như Đông Nam Á và Châu Phi

Thiết kế hệ thống điện trong ô tô đang diễn ra một cuộc cách mạng nhằm mang lại những cải tiến về hiệu quả sử dụng nhiên liệu, an toàn, thoải mái và tiện lợi [1] Chúng

ta biết rằng trong trường hợp động cơ đốt trong, quá trình đốt cháy không khí và nhiên liệu diễn ra bên trong xi lanh động cơ và tạo ra khí nóng Nhiệt độ của khí sẽ vào khoảng 2300-2500°C Đây là nhiệt độ rất cao và có thể dẫn đến đốt cháy màng dầu giữa các bộ phận chuyển động và có thể dẫn đến kẹt hoặc hàn các bộ phận đó Vì vậy, nhiệt độ này phải giảm xuống khoảng 150-200°C thì động cơ mới hoạt động hiệu quả nhất Làm mát quá nhiều cũng không được mong muốn vì nó làm giảm hiệu suất nhiệt Động cơ đốt trong tạo ra năng lượng bằng cách đốt nhiên liệu trong xi lanh; do đó, nó thường được gọi là "động cơ nhiệt" Tuy nhiên, chỉ có khoảng 25% nhiệt lượng được chuyển thành năng lượng hữu ích Điều gì xảy ra với 75% còn lại? Ba mươi đến ba mươi lăm phần trăm nhiệt lượng do nhiên liệu đốt tạo ra trong buồng đốt sẽ bị tiêu tán bởi hệ thống làm mát cùng với hệ thống nhiên liệu và bôi trơn Bốn mươi đến bốn mươi lăm phần trăm lượng nhiệt sinh ra sẽ thoát ra ngoài cùng với khí thải [2]

Hệ thống làm mát trên ô tô là hệ thống quan trọng giúp làm mát động cơ khi hoạt động Các thành phần của hệ thống bao gồm bộ tản nhiệt để tản nhiệt, quạt hoặc quạt để đảm bảo đủ luồng không khí làm mát bộ tản nhiệt, van điều nhiệt mở khi đạt đến nhiệt

độ vận hành mong muốn và máy bơm nước (hoặc bơm nước làm mát) để luân chuyển chất làm mát qua động cơ, ống mềm và các thành phần khác Quạt làm mát động cơ là một trong những bộ phận quan trọng của hệ thống điện trên ô tô, trong đó cần có hiệu suất cao, độ tin cậy cao và độ rung thấp để đáp ứng các tiêu chuẩn trên [3] Cảm biến Nhiệt độ nước làm mát động cơ (ECT) đo nhiệt độ động cơ và cho biết lượng nhiệt mà động cơ tỏa ra Cảm biến hoạt động với Mô-đun điều khiển động cơ (ECM) Cảm biến ECT theo dõi nhiệt độ nước làm mát động cơ liên tục và đảm bảo động cơ đang chạy ở nhiệt độ tối ưu Điện trở của cảm biến nhiệt độ (NTC Thermistor) thay đổi theo nhiệt độ khi ECM gửi điện áp tới cảm biến ECT [4]

Động cơ BLDC là một loại động cơ đồng bộ Điều này có nghĩa là từ trường do stato tạo ra và từ trường do rôto tạo ra quay cùng tần số Động cơ BLDC không gặp hiện tượng “trượt” thường thấy ở động cơ cảm ứng Động cơ BLDC có cấu hình một pha, 2 pha và 3 pha [5] Ngày nay, bộ điều khiển dòng điện một chiều không chổi than (BLDC) được sử dụng cho nhiều ứng dụng và có thể được thực hiện bằng cách sử dụng vô số khái niệm động cơ khác nhau [6] Động cơ dòng điện một chiều không chổi than (BLDC) hầu hết được ưu tiên cho các ứng dụng động như công nghiệp ô tô, công nghiệp bơm và công nghiệp cán Dự đoán đến năm 2030, động cơ BLDC sẽ trở thành phương tiện truyền tải điện chủ đạo trong các ngành công nghiệp thay thế động cơ cảm ứng truyền thống [7]

BLDC đã được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như tự động hóa công nghiệp,

ô tô, hàng không vũ trụ, thiết bị đo đạc và thiết bị từ những năm 1970 Động cơ BLDC

là một loại động cơ DC mới, việc chuyển mạch được thực hiện bằng điện tử thay vì sử dụng chổi than Vì vậy nó cần ít bảo trì hơn Ngoài ra khả năng chống ồn của nó cũng ít

hơn, mong muốn có được động cơ tích hợp Kỹ thuật chuyển mạch điện tử và nguyên nhân rôto nam châm vĩnh cửu BLDC có lợi thế ngay lập tức so với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng trong ứng dụng xe điện [8] Do không có chổi than, động cơ

DC không chổi than ít cần thay chổi than thường xuyên hơn, giúp giảm chi phí bảo trì Tuổi thọ của động cơ DC có chổi than thấp hơn khoảng sáu lần so với động cơ DC không chổi than Do đường kính nhỏ, gọn và tỷ lệ mô-men xoắn trên trọng lượng tuyệt vời, động cơ DC không chổi than rất phù hợp cho nhiều loại robot và ứng dụng y tế, bao gồm

cả cánh tay và chân robot Khi so sánh với các động cơ khác có cùng định mức, động cơ

DC không chổi than hoạt động khá êm, động cơ DC không chổi than có công suất rất cao [9] Thay vì chuyển mạch dòng điện phần ứng bằng chổi than, chuyển mạch điện tử được sử dụng vì lý do này nó là một động cơ điện tử Điều này giúp loại bỏ các vấn đề liên quan đến chổi than và cách bố trí cổ góp, ví dụ như phát tia lửa điện và hao mòn trong cách bố trí chổi than cổ góp, do đó làm cho BLDC chắc chắn hơn so với động cơ

DC [10]

Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng động cơ BLDC thay thế các động cơ truyền thống sử dụng trên ô tô lâu nay là việc làm thiết thực có thể ứng dụng một động cơ BLDC vào ô tô có thể là một bước tiến của công nghệ động cơ

1.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Padmaraja Yedamale [5] đã trình bày khá cụ thể về động cơ BLDC trong bài viết của tác giả mang tên “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals”, tác giả đã trình bày

về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các đặc trưng và trình bày khá cụ thể sự so sánh giữa động cơ BLDC với động DC; giữa động cơ BLDC với động cơ AC Ngoài ra tác giả

Padmaraja Yedamale cũng đã so sánh và thể hiện tính chất của tín hiệu cảm biến Hall

cùng với xung EMF phản hồi kèm theo sơ đồ mạch điện điều khiển Cuối cùng tác giả trình bày các ứng dụng của động cơ BLDC trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống

Tuy nhiên về ứng dụng động cơ BLDC trên ô tô chưa được tác giả trình bày cụ thể Ấn

phẩm của tác giả K Sreekanth Reddy [9] thông qua tác phẩm “Electrical device and system” đã trình bày khá chi tiết về động cơ điện nội dung cũng khá tương đồng với bài

báo của tác giả Padmaraja Yedamale tuy nhiên nội dung có thêm nội dung encoder, decoder, xử lý tín hiệu số Tuy nhiên về ứng dụng động cơ BLDC trên ô tô chưa được tác giả trình bày cụ thể Tác giả Md Rifat Hazari [11] đã trình bày phương pháp điều

khiển động cơ BLDC thông qua mô phỏng trên proteus sử dụng 1 Micro controller atmega32, 4 cảm biến Hall và 8 mosfet Qua kết quả mô phỏng này chúng ta có thể kết luận rằng không phải điều khiển động cơ BLDC cũng cần mạch điều khiển phức tạp và tốn kém mà chỉ cần dùng một số dụng cụ trên là có thể điều khiển được động cơ BLDC vừa đơn giản vừa hiệu quả Bài báo của tác giả có tên “Design of the brushless DC

(BLDC) motor controller Tuy nhiên về ứng dụng động cơ BLDC trên ô tô thì tác giả chưa đề cập đến Bài báo mang tên “Modelling and simulation analysis of the brushless

DC Motor by using MATLAB” của tác giả G Prasad[12] đã sử dụng phần mềm mô

phỏng Matlab thông dụng để thể hiện các kết quả mô phỏng động cơ BLDC dựa trên xung tín hiệu phản hổi EMF của động cơ BLDC Tác giả đã thể hiện kết quả của các thông số lên biểu đồ thể hiện, cụ thể là đồ thị xung EMF phản hồi, đồ thị xung của dòng điện, đồ thị xung của moment, đồ thị xung tốc độ đầu ra và các giá trị phân tích khác

được thể hiện trong bài báo khoa học của tác giả Tuy nhiên về ứng dụng động cơ BLDC trên ô tô chưa được tác giả trình bày cụ thể

Từ những bài báo nghiên cứu đã liệt kê cũng như còn rất nhiều bài báo và tập chí nghiên cứu khác đã công bố, có thể thấy rằng tầm quan trọng của động cơ BLDC trong cuộc sống hiện nay trong khi nhiên liệu hóa thạch ngày càng giảm dần, thay vào đó thì

sự phát triển động cơ điện dần thay thế để đáp ứng nhu cầu về năng lượng toàn cầu Việc

sử dụng động cơ BLDC ứng dụng thay thế các động cơ DC có chổi than trên ô tô hiện nay là cần thiết

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Bài báo mang tên “Nghiên cứu mô phỏng điều khiển động cơ không chổi than BLDC

bằng công cụ Matlab – Simulink” [13] của tác giả PGS.TS Đào Minh Quân và TS Đào

Khanh Quang Tác giả đã giải quyết vấn đề nêu ra bằng các các mô phỏng sau: mô phỏng

bộ nghịch lưu công suất, mô phỏng khối cảm biến Hall, mô phỏng bộ điều khiển chuyển

mạch cho bộ nghịch lưu và cuối cùng là mô phỏng bộ điều khiển PID số Bài báo đã bám

chính xác tốc độ đặt, sai lệch tốc độ là bằng không, sai lệch tính bằng không Kết quả

mô phỏng cho thấy hệ thống phản ứng nhanh và chính xác khi có lệnh đặt tốc độ Tuy

nhiên về ứng dụng động cơ BLDC trên ô tô thì tác giả chưa đề cập đến Bài báo “Động

cơ PM-BLDC và bộ điều khiển điện tử sử dụng trên ô tô điện”[14] của tác giả PGS

Phạm Hữu Nam cùng các cộng sự đã mô phỏng trên động cơ ô tô điện SGQ-1872 là loại

động cơ 3 pha có cảm biến Hall, khối lượng 33,5kg, điện áp đầu vào 90VDC 3 pha, tốc

độ định mức 4500rmp, moment 12Nm, công suất định mức 5.5kW Tác giả sử dụng vi

điều khiển XMC1404, driver IC IRS2186 và 6 FET Kết quả cho thấy rằng độ gợn sóng

của xung chuyển mạch không quá 5%, hiệu suất của mạch inverter đạt tới 91%

Qua đây có thể thấy việc sử dụng động cơ BLDC ứng dụng thay thế các động cơ DC

có chổi than trên ô tô hiện nay là có thể thực hiện Một ứng dụng cụ thể được thực hiện

trên ô tô là cần thiết

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Qua tổng quan từ các nghiên cứu trong nước, ngoài nước và tình hình thực tế các

ứng dụng của động cơ BLDC hiện nay đa dạng tác giả nhận thấy rằng việc “Thiết kế,

lập trình điều khiển BLDC sử dụng trên ô tô thay thế các động cơ có chổi than” có thể

thực hiện được, đây có thể là tiền đề cho các nghiên cứu sau này cải tiến và ứng dụng

động cơ BLDC nhiều hơn Từ đó sẽ góp phần tăng tuổi thọ động cơ, nâng cao tính kinh

tế khi sử dụng

1.4 Mục tiêu đề tài

- Khảo sát, so sánh động cơ BLDC so với động cơ DC có chổi than truyền thống

- Mô phỏng động cơ BLDC trên phần mềm Matlab Simulink

- Thiết kế, lập trình điều khiển động cơ BLDC, từ đó ứng dụng thay thế động cơ

DC có chổi than truyền thống trên các hệ thống điện ô tô có sử dụng động cơ DC

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

1.6 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.6.1 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu đã thực hiện có liên quan

- Mô phỏng đông cơ BLDC bằng Matlab – Simulink

- Thiết kế, lập trình điều khiển động cơ BLDC bằng mô hình

- Ứng dụng động cơ BLDC trên ô tô thay thế động cơ DC truyền thống bằng BLDC 1.6.2 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nội dung trên, các phương pháp nghiên cứu sau được sử dụng:

- Phương pháp tổng quan: tổng quan từ các nội dung được tổng hợp từ các nguồn

khoa học uy tín (Sciencedirect, Springer, IEEE,…) có liên quan đến động cơ BLDC đang nghiên cứu hoặc các hạn chế chưa được giải quyết

- Phương pháp tính toán lý thuyết: tính toán lựa chọn, thiết kế và lập trình điều

khiển động cơ BLDC

- Phương pháp mô phỏng: sử dụng công cụ Matlab – Simulink để mô phỏng tính

- Phương pháp thực nghiệm: thực nghiệm khả năng ứng dụng của BLDC trên ô tô

cụ thể trên xe thực tế

1.7 Kết quả dự kiến đạt được

- Thiết kế, lập trình điều khiển động cơ BLDC

- Thí nghiệm các chế độ tải, điện áp cung cấp khác nhau và chế độ dự phòng khi

mạch điều khiển bị hư

- Ứng dụng thay thế động cơ DC quạt làm mát động cơ

- Phản hồi kết quả nhiệt độ nước và tốc độ động cơ quạt mát sau đó hiển thị qua

OLED để người lái nắm thông tin chính xác khi sử dụng xe

1.8 Bố cục luận văn

Nội dung của Luận văn bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chượng 3: Simulink thiết kế, lập trình điều khiển, thử nghiệm

- Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Từ các vấn đề đã đặt ra được nêu ở chương 1 ta có thể thấy rằng việc sử dụng động

cơ điện DC ứng dụng trên các động cơ điện trên ô tô còn có các mặt hạn chế, bên cạnh

đó kết hợp với ưu điểm nhỏ gọn và hiệu quả của động cơ BLDC sử dụng khá phổ biến hiện nay từ đó luận văn này sẽ giải quyết nhiệm vụ là thay thế động cơ điện DC có chổi than hiện nay thành động cơ điện BLDC trong hệ thống điều khiển quạt làm mát động

cơ

Sơ đồ điều khiển quạt làm mát động cơ hiện nay trên ô tô cũng khá đơn giản, việc điều khiển thay đổi tốc độ của động cơ điện DC thông qua việc thay đổi điện trở bằng điều khiển relay Quạt làm mát sẽ có 2 tốc độ, cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ (ECT sensor) sẽ có vai trò nhận biết nhiệt độ nước làm mát động cơ sau đó ECT sensor

sẽ gửi về hộp điều khiển động cơ ECM sau đó ECM sẽ xuất tín hiệu điện điều khiển hệ thống

2.1 Động cơ BLDC

Việc thay thế động cơ chổi than bằng động cơ BLDC trong ô tô mang lại một số lợi ích, bao gồm cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ động cơ Dưới đây là bảng phân tích các lợi ích và cân nhắc khi sử dụng động cơ BLDC để thay thế động cơ chổi than trong các ứng dụng ô tô:

Về mặt ưu điểm: động cơ BLDC cho hiệu suất cao hơn, giảm chi phí bảo trì, kéo dài tuổi thọ của động cơ, động cơ BLDC thường nhỏ gọn và nhẹ hơn với công suất đầu

ra nhất định, khiến chúng phù hợp với những phương tiện có không gian hạn chế Động

cơ BLDC có thể dễ dàng được tích hợp vào hệ thống phanh tái tạo, cho phép phục hồi năng lượng trong quá trình phanh và tăng hiệu quả tổng thể Động cơ BLDC cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn chính xác, khiến chúng phù hợp với các ứng

dụng yêu cầu điều khiển chính xác động lực học của xe Việc không có chổi than giúp giảm nhiễu điện từ, giúp động cơ BLDC phù hợp hơn với xe điện

Về mặt nhược điểm: Động cơ BLDC thường đắt hơn để sản xuất so với động cơ chổi than do thiết kế điện tử điều khiển và thiết kế phức tạp hơn Tần số chuyển mạch cao hơn trong bộ truyền động động cơ BLDC có thể gây nhiễu

2.1.1 Tổng quan về động cơ BLDC

Động cơ điện DC không chổi than,

hay còn gọi là động cơ BLDC (Brushless

DC Motor) là động cơ điện được chuyển

mạch bằng điện tử, có rotor là nam châm

vĩnh cửu và stator là nam châm điện

được điều khiển bởi mạch điều khiển

Động cơ BLDC được sử dụng trong các

ngành công nghiệp như thiết bị gia dụng,

ô tô, hàng không vũ trụ, người tiêu dùng,

y tế, tự động hóa công nghiệp, thiết bị và

Động cơ BLDC (Brushless DC) mặc dù có tên là “một chiều không chổi than” nhưng

nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức

là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia

thành 2 loại: Động cơ sóng hình sin, động cơ sóng hình thang

Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ

sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor) Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để xác định một động

cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator),…

Hình 2 2: Sóng sức phản điện động stator dạng hình thang

Có 2 loại động cơ BLDC phổ biến hiện nay:

- Động cơ có rotor ngoài: ở động cơ này, các cuộn dây stator đứng yên nằm bên

trong và rotor dạng quả chuông nằm bên ngoài bao quanh các cuộn dây

- Động cơ có rotor trong: Ở động cơ này, rotor với nam châm vĩnh cửu nằm bên

trong và stator bọc bên ngoài[15]

Động cơ BLDC được thực hiện trong đề tài này là: Động cơ có rotor nằm trong

Hình 2.2 cho thấy đặc tính của động cơ BLDC thông qua 2 thông số moment xoắn

và tốc độ Mô-men xoắn cực đại (TP) và moment xoắn định mức (TR) Trong quá trình vận hành liên tục, động cơ có thể tăng tải đến moment xoắn định mức Moment xoắn động cơ BLDC không đổi trong một phạm vi tốc độ đến tốc độ định mức Động cơ có thể được chạy lên đến tốc độ tối đa, có thể lên tới 150% tốc độ định mức tốc độ lúc này moment xoắn bắt đầu giảm

Hình 2 3: Đặc tính của động cơ BLDC thông qua moment và tốc độ [5]

Dạng sóng lý tưởng của Back-EMFs (Ex) và dòng điện pha (Ix) theo tín hiệu cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (Sx) và vị trí rôto, trong đó x = A, B và C được hiển thị trên

Hình 2.4 ở bên dưới[16]

Hình 2 4: Đặc tính động cơ BLDC giám sát điều khiển bởi Hall sensors

Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến Hall bằng cách giám sát các tín hiệu EMF phản hồi thay vì các cảm biến Hall như những động cơ BLDC thông dụng

Mối quan hệ giữa các cảm biến Hall và EMF phản hồi được thể hiện trong Hình 2.5

Hình 2 5: So sánh tín hiệu Hall và EMF phản hồi [5]

Với phương pháp chuyển mạch này, các cảm biến Hall gắn trên động cơ BLDC có thể

bị loại bỏ Điều này làm cho động cơ có cấu tạo đơn giản hơn từ đó làm giảm chi phí Giúp động cơ hoạt động tối ưu ở các môi trường khác nhau như môi trường dầu, môi

trường bụi bẩn điều khiển được chính xác ở các chế độ tải động cơ Sơ đồ khối điều

khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến Hall được thể hiện trong Hình 2.6 bên dưới

Hình 2 6: Sơ đồ khối điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến Hall [5]

2.1.2 Điều khiển động cơ BLDC

Phương pháp điều khiển động cơ BLDC dựa trên sự đóng mở các MOSFET hoặc IGBT ở các nhánh và tuân thủ theo các nguyên tắc cơ bản sau:

- Nếu cùng một nhánh điều khiển nếu MOSFET hoặc IGBT phía trên điều khiển

mở thì MOSFET hoặc IGBT phía dưới điều khiển ngắt hoặc ngược lại để tránh trùng dẫn gây hỏng linh kiện điều khiển

- Xung điều khiển tại chân G là tín hiệu PWM được phát ra từ bộ điều khiển và

phải đồng bộ được các linh kiện để điều khiển motor chính xác

- Động cơ BLDC cần có cảm biến hiệu ứng Hall (Hall Sensors) để xác định vị trí

của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator có thể thay thế bằng xung phản hồi EMF

Hình 2 7: Mạch cầu 3 pha điều khiển động cơ BLDC

Hình 2 8: Kiểu chuyển đổi cho chế độ dẫn 120º

Hình 2 9: Dòng điện ba pha Bảng 2 1: Bảng trạng thái hoạt động của mạch cầu 3 pha

Phương pháp điều khiển động cơ BLDC:

- Phát hiện vị trí bằng cảm biến hoặc không có cảm biến Hall: xác định vị trí rôto

bằng cách sử dụng cảm biến vị trí (như cảm biến hiệu ứng Hall) hoặc các kỹ thuật không

có cảm biến (cảm biến phản lực, phương pháp dựa trên người quan sát)

- Điều khiển vòng kín: thực hiện hệ thống điều khiển vòng kín để điều chỉnh tốc

độ và vị trí của động cơ Các thuật toán điều khiển phổ biến bao gồm bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân (PI) để điều khiển tốc độ và bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vị trí (PPI) để điều khiển vị trí

- Cảm biến tải: muốn kiểm soát được tải thì cần có cách để cảm nhận được nó Điều

này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các cảm biến như cảm biến tải trọng, bộ

mã hóa hoặc cảm biến dòng điện Kết hợp thông tin tải vào hệ thống điều khiển

- Kiểm soát dòng điện: Thực hiện các vòng điều khiển dòng điện để quản lý dòng

điện cung cấp cho cuộn dây động cơ Điều này giúp duy trì kiểm soát mô-men xoắn và quản lý tải hiệu quả

- Kiểm soát tốc độ: Điều chỉnh điểm đặt tốc độ tham chiếu của hệ thống điều khiển

dựa trên tốc độ mong muốn Bộ điều khiển sau đó sẽ điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện cấp vào động cơ để đạt và duy trì tốc độ mong muốn

- Kiểm soát vị trí: Nếu cần điều khiển vị trí chính xác, hãy sử dụng vòng điều khiển

vị trí cùng với bộ mã hóa hoặc bộ phân giải để có phản hồi chính xác

- Phản hồi và điều chỉnh: Theo dõi liên tục các tín hiệu phản hồi của hệ thống (tốc

độ, vị trí, dòng điện) và điều chỉnh các tham số điều khiển (độ lợi PI, v.v.) để có hiệu suất và độ ổn định tối ưu

- Đáp ứng động: Xem xét phản ứng động của động cơ khi tải thay đổi đột ngột Tải

thay đổi nhanh có thể yêu cầu các chiến lược điều khiển thích ứng hoặc bù thẳng tiến

- Triển khai phần mềm: Lập trình thuật toán điều khiển trên bộ vi điều khiển hoặc

bộ xử lý tín hiệu số (DSP) giao tiếp với các thiết bị điện tử công suất của động cơ