TIỂU LUẬN Đề tài ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI THAN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MÔN HỌC: MÁY ĐIỆN

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2024

2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC không chổi than 5

CHƯƠNG 3: SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC……

10 3.1 So sánh động cơ DC không chổi than với động cơ không chổithan………….10

CHƯƠNG 4 TRÌNH TỰ GIAO TIẾP………12

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 14

5.1 Tổng kết 14

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1.Đặt vấn đề

Động cơ DC không chổi than (BLDC) là một trong những loại động cơ phổ biến hiệnnay Động cơ BLDC được sử dụng trong các ngành công nghiệp như thiết bị gia dụng,Ô tô, hàng không vũ trụ, y tế, và thiết bị tự động hóa công nghiệp Đúng như tên gọi,động cơ BLDC không sử dụng chổi than để chuyển mạch; thay vào đó, chúng đượcchuyển mạch điện tử

Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng.Một vài trong số đó là:

 Tốc độ tốt hơn so với đặc tính mô-men xoắn  Phản hồi động cao

 Hiệu suất cao

 Tuổi thọ vận hành dài Vận hành không ồn ào Phạm vi tốc độ cao hơn

Ngoài ra, tỷ lệ mô-men xoắn được cung cấp cho kích thước của động cơ cao hơn,khiến nó trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà không gian và trọng lượng là nhữngyếu tố quan trọng Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về cấu tạo,nguyên lý làm việc, đặc tính và ứng dụng điển hình của động cơ BLDC

1.2.Mục tiêu, phạm vị nghiên cứu

Mục tiêu của bài tiểu luận là cung cấp cái nhìn tổng quan về động cơ tuyến tính Đối với mục tiêu nêu trên, phạm vi của bài tiểu luận bao gồm:

 Định nghĩa động cơ tuyến tính là gì ?

 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của động cơ tuyến tính. Phân biệt các loại ĐCTT phổ biến.

1.3.Hướng tiếp cận

Bằng cách tìm kiếm, thu thập và nghiên cứu các nguồn dữ liệu mở về khoa học trêninternet như:

 Google scholar StudySmarter

 etel.ch

Ngoài ra bài tiểu luận còn nghiên cứu thông qua các bài báo khoa học nghiên cứu vềđộng cơ tuyến tính cũng như các cataloge được các nhà sản xuất ĐCTT phát hành.

Hình 2.1 Stator của động cơ BLDC

Stator của động cơ BLDC bao gồm các lớp thép xếp chồng lên nhau với các cuộn dâyđược đặt trong các khe được cắt theo trục dọc theo khung bên trong (như trong Hình2.1) Nhìn chung, stator giống với động cơ cảm ứng; tuy nhiên, các cuộn dây đượcphân phối theo một cách khác Hầu hết các động cơ BLDC đều có ba cuộn dây statorđược nối theo kiểu hình sao Mỗi cuộn dây này được cấu tạo từ nhiều cuộn dây nốivới nhau để tạo thành một cuộn dây lớn Một hoặc nhiều cuộn dây được đặt trong cáckhe và chúng được kết nối với nhau để tạo thành một cuộn dây Mỗi cuộn dây nàyđược phân bố khắp khung ngoài stator để tạo thành số cực chẵn

Có hai loại biến thể cuộn dây stator: Động cơ hình thang và hình sin

Sự khác biệt này được thực hiện trên cơ sở kết nối các cuộn dây trong cuộn dây statođể tạo ra các loại Lực điện động ngược (EMF) khác nhau Tham khảo phần “EMF trởlại là gì?” phần để biết thêm thông tin Như tên gọi của chúng đã chỉ ra, động cơ hìnhthang tạo ra EMF phía sau theo kiểu hình thang và EMF phía sau của động cơ hình sincó dạng hình sin (như trong Hình 2.2 và Hình 2.3)

Hình 2.2 EMF phía sau theo kiểu hình thang

Hình 2.3 EMF phía sau của động cơ hình sin

Ngoài EMF phía sau, dòng điện pha cũng có các biến thể hình thang và hình sin theotừng loại động cơ tương ứng Điều này làm cho mô-men xoắn đầu ra của động cơ hìnhsin mượt mà hơn so với động cơ hình thang Tuy nhiên, điều này đi kèm với một chiphí bổ sung, vì động cơ hình sin cần thêm các kết nối cuộn dây do sự phân bổ cuộn

dây ở khung stator, do đó làm tăng lượng đồng tiêu thụ của cuộn dây stator Tùy thuộcvào khả năng cung cấp điện điều khiển, có thể chọn động cơ có định mức điện ápchính xác của stator Động cơ có điện áp định mức 48 V hoặc thấp hơn được sử dụngtrong ô tô, robot, chuyển động của cánh tay nhỏ, v.v Động cơ có điện áp 100 V hoặccao hơn được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, tự động hóa và trong các ứng dụngcông nghiệp.

2.1.2 Cấu tạo Rotor của động cơ DC không chổi than

Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cửu và có thể thay đổi từ hai đến tám cặp cựcvới các cực Bắc (N) và Nam (S) xen kẽ

Dựa vào mật độ từ trường yêu cầu trong rôto mà chọn vật liệu từ tính thích hợp để chếtạo rôto Nam châm Ferrite thường được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Khicông nghệ tiến bộ, nam châm hợp kim đất hiếm ngày càng phổ biến Nam châm ferriterẻ hơn nhưng chúng có nhược điểm là mật độ từ thông thấp trong một thể tích nhấtđịnh Ngược lại, vật liệu hợp kim có mật độ từ tính cao trên mỗi thể tích và cho phéprôto nén thêm với cùng một mô-men xoắn Ngoài ra, các nam châm hợp kim này cảithiện tỷ lệ kích thước trên trọng lượng và tạo ra mô-men xoắn cao hơn cho động cơcùng kích thước sử dụng nam châm ferrite Neodymium (Nd), Samarium Cobalt(SmCo) và hợp kim của Neodymium, Ferrite và Boron (NdFeB) là một số ví dụ vềnam châm hợp kim đất hiếm Các nghiên cứu đang được tiến hành liên tục để cải thiệnmật độ từ thông để nén rotor hơn nữa Hình 2.4 cho thấy các mặt cắt ngang của cáccách sắp xếp nam châm khác nhau trong rotor của động cơ DC

Hình 2.4 Mặt cắt ngang của một số cách sắp xếp nam châm khác nhau trongrotor của động cơ DC

2.1.3 Cảm biến Hall

Không giống như động cơ DC có chổi than, chuyển mạch của động cơ BLDC đượcđiều khiển bằng điện tử Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator phải được cấp

điện theo trình tự Điều quan trọng là phải biết vị trí rotor để hiểu cuộn dây nào sẽđược cấp điện theo trình tự cấp điện Vị trí rotor được xác định bằng cảm biến hiệuứng Hall được gắn vào stator Hầu hết các động cơ BLDC đều có ba cảm biến Hallđược gắn vào stator ở đầu không dẫn động của động cơ Bất cứ khi nào các cực từ củarôto đi qua gần cảm biến Hall, chúng sẽ đưa ra tín hiệu cao hoặc thấp, cho biết cực Nhoặc S đang đi qua gần các cảm biến Dựa trên sự kết hợp của ba tín hiệu cảm biếnHall này, có thể xác định được trình tự giao hoán chính xác của rotor

Lý thuyết Hiệu ứng Hall: Nếu một dây dẫn mang dòng điện được giữ trong từ trườngthì từ trường tác dụng một lực ngang lên các hạt mang điện chuyển động có xu hướngđẩy chúng về một phía của dây dẫn Điều này thể hiện rõ nhất ở một dây dẫn phẳngmỏng Sự tích tụ điện tích ở hai bên dây dẫn sẽ cân bằng ảnh hưởng từ tính này, tạo ramột điện áp có thể đo được giữa hai bên dây dẫn Sự hiện diện của điện áp ngang cóthể đo được này được gọi là hiệu ứng Hall theo tên E H Hall, người đã phát hiện ranó vào năm 1879.

Hình 2.5 Mặt cắt ngang của động cơ BLDC

Hình 2.5 cho thấy mặt cắt ngang của động cơ BLDC với rôto có nam châm vĩnh cửuN và S xen kẽ Cảm biến Hall được gắn vào phần đứng yên của động cơ Việc gắn cáccảm biến Hall vào stator là một quá trình phức tạp vì bất kỳ sự sai lệch nào trong cáccảm biến Hall này đối với các nam châm rotor sẽ tạo ra lỗi trong việc xác định vị trírotor Để đơn giản hóa quá trình lắp cảm biến Hall vào stator, một số động cơ có thểcó nam châm cảm biến Hall trên rotor ngoài các nam châm rotor chính Đây là phiênbản thu nhỏ của rotor, bất cứ khi nào rotor quay, nam châm cảm biến Hall đều cho tácdụng tương tự như nam châm chính Cảm biến Hall thường được gắn trên bo mạch PCvà cố định vào nắp vỏ ở đầu không dẫn động Điều này cho phép người dùng điềuchỉnh việc lắp ráp hoàn chỉnh các cảm biến Hall, căn chỉnh với các nam châm rotor đểđạt được hiệu suất tốt nhất Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có hai phiên bản

đầu ra Các cảm biến Hall có thể lệch pha nhau 60° hoặc 120° Dựa trên điều này, nhàsản xuất động cơ xác định trình tự chuyển mạch cần tuân thủ khi điều khiển động cơ.Cảm biến Hall cần có nguồn điện Điện áp có thể dao động từ 4 V đến 24 V Dòngđiện yêu cầu có thể dao động từ 5 mA đến 15 mA Trong khi thiết kế bộ điều khiểnphải tham khảo thông số kỹ thuật động cơ tương ứng để biết chính xác mức điện áp vàdòng điện của cảm biến Hall được sử dụng Đầu ra của cảm biến Hall thường là loạicực thu hở Có thể cần một điện trở kéo lên ở phía bộ điều khiển Xem phần “Trình tựgiao hoán” để biết ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall và biết thêm chi tiết về trình tự giaohoán.

2.1.4 Nguyên lý hoạt động

Mỗi chuỗi chuyển mạch có một trong các cuộn dây được cấp điện dương (dòng điệnđi vào cuộn dây), cuộn dây thứ hai là âm (dòng điện thoát ra khỏi cuộn dây) và cuộnthứ ba ở trạng thái không mang điện Mô-men xoắn được tạo ra do sự tương tác giữatừ trường do cuộn dây stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu Lý tưởng nhất là mô-menxoắn cực đại xảy ra khi hai từ trường này vuông góc với nhau 90° và giảm dần khi cáctừ trường chuyển động cùng nhau Để giữ cho động cơ hoạt động, từ trường do cuộndây tạo ra phải thay đổi vị trí, khi rôto chuyển động để bắt kịp từ trường của stato Cáiđược gọi là “chuyển mạch sáu bước” xác định trình tự cấp điện cho cuộn dây Xemphần “Chuỗi giao hoán” để biết thông tin chi tiết và ví dụ về giao hoán sáu bước.

CHƯƠNG 3: SO SÁNH DC KHÔNG CHỔI THAN VỚI CÁCĐỘNG CƠ KHÁC

So với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng, động cơ BLDC có nhiều ưu điểmvà ít nhược điểm Động cơ không chổi than ít cần bảo trì hơn nên có tuổi thọ cao hơnso với động cơ DC có chổi than Động cơ BLDC tạo ra nhiều công suất đầu ra trênmỗi kích thước khung hơn so với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng Vì rôtođược làm bằng nam châm vĩnh cửu nên quán tính của rôto nhỏ hơn so với các loạiđộng cơ khác Điều này cải thiện đặc tính tăng tốc và giảm tốc, rút ngắn thời gian vậnhành chu kỳ Đặc tính tốc độ/mô-men xoắn tuyến tính của chúng tạo ra khả năng điềuchỉnh tốc độ có thể dự đoán được Với động cơ không chổi than, việc kiểm tra bằngchổi được loại bỏ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các khu vực và ứng dụng có khảnăng tiếp cận hạn chế, nơi khó bảo trì Động cơ BLDC hoạt động êm hơn nhiều so vớiđộng cơ DC chổi than, giúp giảm nhiễu điện từ (EMI) Các mô hình điện áp thấp lýtưởng cho hoạt động của pin, thiết bị cầm tay hoặc ứng dụng y tế.

Tính năng DC không chổi thanDC có chổi thanChuyển mạch Chuyển mạch điện tử dựa

trên cảm biến vị trí Hall Chuyển mạch thông qua tiếpxúc cơ khí

Bảo trì Ít cần bảo trì do không có

chi tiết bào mòn cơ khí Cần bảo trì định kỳ chổi than

Công suất đầu ra Cao, hiệu suất đạt

85-90% Trung bình, hiệu suất đạt 65-70%

Quán tính rotor Thấp do rotor nam châm

vĩnh cửu Quán tính rotor cao hơn làmhạn chế các đặc tính động.

Phạm vi tốc độ cao hơn – Không có giớihạn cơ học nào được ápđặt bởi chổi than/bổ góp.

Thấp hơn do Hạn chế cơ họccủa chổi

Tiếng ồn Hồ quang trong chổi sẽ tạo ra

tiếng ồn gây ra nhiễu điện từ(EMI) ở các thiết bị gần đó

Chí phí Cao do Rotor nam châmvĩnh cữu và cần cảm biến

Thấp hơn

Điều khiển Phức tạp và đắt đỏ Đơn giản và ít đắt đỏ hơn

Yêu cầu điều khiển Yêu cầu một bộ điềukhiển để giữ cho động cơhoạt động và một bộ điều

khiển tương tự có thểđược sử dụng để điều

khiển tốc độ.

Không cần bộ điều khiển chotốc độ cố định; chỉ cần mộtbộ điều khiển nếu muốn thay

đổi tốc độ.

CHƯƠNG 4: TRÌNH TỰ GIAO TIẾP

Trên đây ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall đối với EMF ngược và dòng pha Hình 8 chothấy trình tự chuyển đổi cần được tuân theo đối với các cảm biến Hall Các số thứ tựtrên Hình 7 tương ứng với các số cho trong Hình 8 Cứ sau 60 độ quay điện, một trong

các cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái Vì điều này, phải mất sáu bước để hoàn thànhmột chu trình điện Đồng bộ, cứ sau 60 độ điện, việc chuyển đổi dòng pha phải đượccập nhật Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể không tương ứng với một vòng quay cơhọc hoàn chỉnh của rôto Số chu kỳ điện được lặp lại để hoàn thành một vòng quay cơhọc được xác định bởi các cặp cực của rôto Đối với mỗi cặp cực rôto, một chu kỳđiện được hoàn thành Vì vậy, số chu kỳ/vòng quay điện bằng các cặp cực rôto Hình9 thể hiện sơ đồ khối của bộ điều khiển dùng để điều khiển động cơ BLDC Q0 đếnQ5 là các công tắc nguồn được điều khiển bởi vi điều khiển PIC18FXX31 Dựa trênxếp hạng điện áp và dòng điện của động cơ, các công tắc này có thể là MOSFET hoặcIGBT hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực đơn giản Bảng 3 và Bảng 4 cho thấy trình tự bậtcác công tắc nguồn này dựa trên đầu vào cảm biến Hall, A, B và C Bảng 3 dành chođộng cơ quay theo chiều kim đồng hồ và Bảng 4 dành cho động cơ quay ngược chiềukim đồng hồ Đây là một ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall có độ lệch pha 60 độ so vớinhau Như chúng ta đã thảo luận trước đây trong phần “Cảm biến Hall”, các cảm biếnHall có thể lệch pha với nhau một góc 60° hoặc 120° Khi tạo ra bộ điều khiển chomột động cơ cụ thể, cần tuân theo trình tự do nhà sản xuất động cơ xác định Thamkhảo Hình 9, nếu các tín hiệu được đánh dấu bằng tín hiệu điều khiển tín hiệu điềukhiển xung điện xung quanh trục (PWMx) được BẬT hoặc TẮT theo trình tự, độngcơ sẽ chạy ở tốc độ định mức Điều này giả định rằng điện áp bus DC bằng điện ápđịnh mức của động cơ, cộng với bất kỳ tổn thất nào trên các công tắc Để thay đổi tốcđộ, các tín hiệu này phải được Điều chế độ rộng xung (PWM) ở tần số cao hơn nhiềuso với tần số động cơ Theo nguyên tắc chung, tần sốPWM phải gấp ít nhất 10 lần tầnsố tối đa của động cơ Khi chu kỳ làm việc của xung điều khiển xung điện thay đổitrong các chuỗi, điện áp trung bình cung cấp cho stato sẽ giảm, do đó làm giảm tốc độ.Một ưu điểm khác của việc cóPWM là nếu điện áp bus DC cao hơn nhiều so với điệnáp định mức của động cơ thì động cơ có thể được điều khiển bằng cách giới hạn tỷ lệphần trăm của chu kỳ làm việc của động cơ tương ứng với điện áp định mức của độngcơ Điều này tăng thêm tính linh hoạt cho bộ điều khiển để kết nối các động cơ có điệnáp định mức khác nhau và khớp với đầu ra điện áp trung bình của bộ điều khiển vớiđiện áp định mức của động cơ bằng cách điều khiển chu kỳ hoạt động của động cơ.Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để kiểm soát Nếu tín hiệuPWM bị giới hạn trongbộ vi điều khiển, thì các công tắc phía trên có thể được bật trong toàn bộ thời giantrong trình tự tương ứng và công tắc phía dưới tương ứng có thể được điều khiển theochu kỳ nhiệm vụ cần thiết trênPWM Chiết áp, được kết nối với kênh chuyển đổitương tự sang số trong Hình 9, dùng để thiết lập tham chiếu tốc độ Dựa trên điện ápđầu vào này, cần tính toán chu kỳ hoạt động của xung xung điện.

Điều khiển vòng kín

Tốc độ có thể được kiểm soát trong một vòng khép kín bằng cách đo tốc độ thực tếcủa động cơ Sai số về tốc độ cài đặt và tốc độ thực tế được tính toán Bộ điều khiểnTỷ lệ cộng với Tích phân cộng với Đạo hàm (P.I.D.) có thể được sử dụng để khuếchđại lỗi tốc độ và điều chỉnh động chu kỳ nhiệm vụ của CPU Đối với các yêu cầu vềtốc độ có độ phân giải thấp, chi phí thấp, tín hiệu Hall có thể được sử dụng để đo phảnhồi tốc độ Bộ đếm thời gian từ PIC18FXX31 có thể được sử dụng để đếm giữa hailần chuyển tiếp Hall Với số đếm này, tốc độ thực tế của động cơ có thể được tínhtoán Để đo tốc độ có độ phân giải cao, một bộ mã hóa quang học có thể được lắp vàođộng cơ, cung cấp hai tín hiệu có độ lệch pha 90 độ Sử dụng các tín hiệu này, cả tốcđộ và hướng quay đều có thể được xác định Ngoài ra, hầu hết các bộ mã hóa đều đưara tín hiệu chỉ số thứ ba, tức là một xung trên mỗi vòng quay Điều này có thể được sửdụng cho các ứng dụng định vị Bộ mã hóa quang học có sẵn với các lựa chọn khácnhau về Xung mỗi vòng quay (PPR), từ hàng trăm đến hàng nghìn.

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

Tóm lại, động cơ BLDC có ưu điểm hơn động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng.Chúng có đặc tính tốc độ so với mô-men xoắn tốt hơn, phản ứng động cao, hiệu suấtcao, tuổi thọ hoạt động dài, hoạt động không ồn ào, phạm vi tốc độ cao hơn, kết cấuchắc chắn, v.v Ngoài ra, mô-men xoắn truyền tới kích thước động cơ cao hơn, khiếnnó trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà không gian và trọng lượng là những yếu tốquan trọng Với những ưu điểm này, động cơ BLDC được ứng dụng rộng rãi trong cácngành công nghiệp ô tô, thiết bị, hàng không vũ trụ, tiêu dùng, y tế, thiết bị đo đạc vàtự động hóa.