bài tập lớn vi điều khiển và ứng dụng đề tài thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ bldc 2 mạch vòng

Dokhông có cơ cấu cổ góp và chổi than nên loại động cơ này đã giải quyết được đasố những nhược điểm của ĐCMC thông thường.H nh 1.1 Động cơ một chiều không chổi than BLDCĐộng cơ một chiều

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN

Vi điều khiển và ứng dụng

Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ BLDC 2 mạch vòng Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Quang

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 19

DANH SÁCH HÌNH VẼ 6

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) 9

1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 9

1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC 12

Stator động cơ BLDC 14

Rotor động cơ BLDC 15

Cảm biến xác định vị trí Rotor 15

Bộ chuyển mạch điện tử 17

Sức phản điện động 17

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC 18

1.4 Các hệ truyền động dùng cho động cơ BLDC 19

Truyền động không đảo chiều 19

Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 19

1.5 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc động cơ BLDC 20

1.6 Ứng dụng của động cơ BLDC 21

Hệ thống điều khiển chuyển động 22

Ứng dụng trong đời sống 22

Ứng dụng trong công nghiệp 24

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 25

2.1 Mô hình toán học 25

Phương trình sức điện động và momen 26

Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC 27

2.2 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC 28

Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall – phương pháp chuyển mạch 6 bước 29

Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến 33

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC 34

3.1 Đặt vấn đề 34

Động cơ BLDC 90ZWN24-120P 34

Vi điều khiển STM32F103C8T6 35

Mosfet IRFZ44N 36

IC đóng mở Mosfet IR2110 37

IC hạ áp LM2576 38

3.2 Thiết kế mạch phần cứng 39

Mạch driver đóng mở mosfet và mạch lực 39

Mạch nguồn 40

Tổng quan mạch phần cứng 41

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

BLDC 42

4.1 Phần mềm STM32CubeMX 42

4.2 Phần mềm KeilC V5 43

4.3 Lập trình điều khiển động cơ BLDC 44

Cấu hình cho vi điều khiển 44

Lập trình cho vi điều khiển 47

4.4 Sơ đồ kết nối hệ thống và kết quả thực tế 49

Sơ đồ kết nối hệ thống 49

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 53

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 9

Hình 1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC 12

Hình 1.3 Cấu tạo của động cơ BLDC đang được đặt ở phòng 207 nhà C1B 13

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ 13

Hình 1.5 Stator động cơ BLDC 14

Hình 1.6 Dạng sức điện động của động cơ BLDC 14

Hình 1.7 Các dạng rotor động cơ BLDC 15

Hình 1.8 Rotor của động cơ BLDC 15

Hình 1.9 Cấu trúc của động cơ BLDC 16

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khiển bằng transitor quang 17

Hình 1.11 Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây stator 18

Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay từ trường stator 19

Hình 1.13 Chuyển mạch hai cực tính động cơ BLDC 20

Hình 1.14 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC 21

Hình 1.15 Đồ thị đặc tính làm việc của động cơ BLDC 21

Hình 1.16 Thông số động cơ của xe máy điện VinFast Tempest 23

Hình 1.17 Máy bay không người lái sử dụng động cơ BLDC 23

Hình 1.18 Quạt tản nhiệt sử dụng động cơ BLDC 24

Hình 1.19 Cánh tay robot sử dụng động cơ BLDC 24

Hình 2.1 Mô hình mạch điện của động cơ BLDC 25

Hình 2.2 Mô hình thu gọn động cơ BLDC 26

Hình 2.3 Sơ đồ một pha tương đương của động cơ BLDC 27

Hình 2.4 Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động, dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ 29

Hình 2.5 Hệ điều khiển động cơ BLDC 30

Hình 2.6 Quỹ đạo từ thông stator không tròn với 6 bậc trong 1 chu kỳ 31

Hình 2.7 Dạng đồ thị xung điều chế PWM 32

Hình 2.8 Nguyên lý điều khiển tải bằng xung PWM 32

Hình 2.9 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 33

Hình 3.1 Động cơ BLDC 90ZWN24-120P 34

Hình 3.2 Broad Blue Pill 35

Hình 3.3 Sơ đồ chân của broad Blue Pill 36

Hình 3.4 Mosfet IRF Z44N 37

Hình 3.5 IC IR2110 37

Hình 3.6 Cấu tạo bên trong của IC IR2110 38

Hình 3.7 IC LM2576 38

Hình 3.8 Mạch điều khiển đóng mở van mosfet 39

Hình 3.9 Mạch lực điều khiển động cơ BLDC 39

Hình 3.10 Khối mạch nguồn 12v và mạch nguồn 5v 40

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC 41

Hình 3.12 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển động cơ BLDC 41

Hình 4.1 Biểu tượng của phần mềm STM32CubeMX 42

Hình 4.2 Giao diện chính của phần mềm STM32CubeMX 43

Hình 4.3 Giao diện của phần mềm Keil C V5 44

Hình 4.4 Cấu hình vi điều khiển STM32F103C8T6 45

Hình 4.5 Cấu hình GPIO cho vi điều khiển 45

Hình 4.6 Cấu hình Timer 2 channel 1 của vi điều khiển 46

Hình 4.7 Cấu hình Timer 1 channel 1, 2 và 3 của vi điều khiển 46

Hình 4.8 Cấu hình truyền thông UART cho vi điều khiển 47

Hình 4.9 Nguyên lý hoạt động của chế độ Input capture 47

Hình 4.10 Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển động cơ BLDC 49

Hình 4.11 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC 49

Hình 4.12 Kết quả tốc độ đáp ứng (đỏ) với tốc độ đặt (xanh) 50

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một chiều 11

Bảng 2.1 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ 30

Bảng 2.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ 31

Bảng 3.1 Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P 35

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI

THAN (BLDC)1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặctính của chúng thích hợp với các truyền động servo Tuy vậy, nhược điểm lớnnhất trong cấu tạo của ĐCMC là cơ cấu cổ góp và chổi than Cơ cấu này dễ bịmài mòn khi hoạt động vậy nên ĐCMC yêu cầu việc bảo dưỡng thường xuyên,ngoài ra, cơ cấu cổ góp chổi than có thể sinh ra tia lửa điện trong quá trình hoạtđộng, nên ĐCMC không được dùng ở trong các môi trường dễ cháy nổ Để khắcphục nhược điểm trên, người ta đã tạo ra loại động cơ không cần chuyển mạchbằng cơ cấu cổ góp và chổi than, mà chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (vídụ: biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Loại động

cơ này được biết đến là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu haycòn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor) Dokhông có cơ cấu cổ góp và chổi than nên loại động cơ này đã giải quyết được đa

số những nhược điểm của ĐCMC thông thường

H nh 1.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ lâu đãđược sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vàichục W) như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính các nhân, thiết

bị văn phòng (máy in , scan ) Trong các ứng dụng đó mạch điều khiển được chếtạo đơn giản và có độ tin cậy cao

Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, công nghệ chế tạo vật liệulàm nam châm vĩnh cửu cũng có những bước tiến lớn, đã làm cho những ưu điểmcủa các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ BLDC so với ĐCMC thôngthường hay động cơ dị bộ trở lên rõ rệt hơn, đặc biệt là ở các hệ thống truyềnđộng di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ ắc qui, pin hay nănglượng mặt trời Trong đó không thể không nhắc đến là các hệ truyền động xe kéotrên xe điện

với công suất từ vài chục đến 100kW Trong công nghiệp, chúng còn được sửdụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW.

BLDC là một loại của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó sử dụngcác bộ cảm biến vị trí và một bộ nghịch lưu (inverter) để điều khiển dòng điệnphần ứng

Mặc dù đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thường hoàntoàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh.Khi so sánh ĐCMC và động cơ BLDC về mặt công nghệ hiện nay, ta thường sosánh sự khác biệt hơn là sự giống nhau giữa 2 loại động cơ Khi đề cập đến chứcnăng của động cơ điện, ta phải nhắc đến ý nghĩa của sự đổi chiều và phần dâyquấn Sự đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thànhdòng điện xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dâyquấn ở phần ứng động cơ Ở ĐCMC thông thường, sự đổi chiều được thực hiệnnhờ cơ cấu cổ góp và chổi than Còn ở động cơ BLDC, sự đổi chiều được thựchiện bằng việc sử dụng các van bán dẫn như transitor, MOSFET, IGBT

Ưu nhược điểm của động cơ BLDC:

- Đặc tính tốc độ/mô men tuyến tính

- Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ

- Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn haotrên rotor

- Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí

- Không gây nhiễu khi hoạt động

- Có thể tăng giảm tốc độ trong thời gian ngắn

Nhược điểm của động cơ BLDC:

- Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giáthành cao

- Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ

Động cơ BLDC có những ưu điểm vượt trội so với các động cơ một chiềuthông thường

Bảng 1.1 so sánh hai loại động cơ này để thấy được sự giống và khác nhaugiữa hai động cơ từ đó có thể khẳng định chắc chắn hơn những ưu/nhược điểmcủa động cơ BLDC

B ng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một chiều

Động cơ BLDC sử dụng chuyểnmạch điện tử thay cho chuyển mạch

định kỳ

Khả năng

tản nhiệt Cao

Trung bình,thấp

Động cơ BLDC chỉ sinh nhiệt khilàm việc ở các cuộn dây phần ứng

Và các cuộn dây phần ứng được bốtrí ở Stator cho phép động cơ tảnnhiệt tốt hơn Đối với động cơ 1chiều, tốn bảo nhiệt suất hiện ở cảdây quấn Stator và rotor Và việc tảnnhiệt của dây quấn rotor khó khăn

Cao Trung bình,thấp BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửubằng vật liệu tiên tiến, không có tổn

hao trên rotorĐặc tích

tốc độ /

momen Bằng phẳng

Tương đốibằng phẳng

Động cơ BLDC không sinh ra ma sát

ở rotor làm giảm momenĐáp ứng

Momen quán tính của rotor động cơBLDC thường nhỏ hơn so với động

cơ 1 chiềuDải điều

chỉnh tốc

BLDC không bị giới hạn tốc độ vềmặt cơ khí do cơ cấu chổi than, cổ

gópNhiễu

BLDC không sinh ra tia lửa điện khivận dành do không có cơ cấu chổi than, cổ góp vì vậy ít gây nhiễu hơnTuổi thọ Cao Thấp Vì động cơ BLDC không có cơ cấuchổi than, cổ gópĐiều

khiển Phức tạp Đơn giản

Động cơ BLDC có cảm biến Hall trảgiá trị về để điều khiển các ban

Giá thành Cao Thấp Do động cơ được kích từ bằng namchâm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá

thành cao

Từ bảng 1.1 ta nhận thấy rằng ưu điểm mà động cơ BLDC mang lại làđảm bảo sự an toàn, đáp ứng được nhu cầu mà động cơ 1 chiều không thể có.1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC

Động cơ BLDC (Brushless DC) hay còn có tên khác động cơ một chiềukhông chổi than là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Thực chấtđộng cơ BLDC không phải là động cơ một chiều mà động cơ xoay chiều đồng bộ

do động cơ thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm Hình 1.2 minh họa cấu tạocủa động cơ BLDC ba pha điển hình Hình 1.3 là hình ảnh cấu tạo của động cơBLDC ba pha đang được đặt tại phòng 207 nhà C1B

Khác với ĐCMC truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện

tử thay cho kết cấu cổ góp-chổi than để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộndây phần ứng Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh Để làm được điều đóphần ứng cũng phải tĩnh Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơBLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm vàphần ứng, phần cảm trên rotor và phần ứng trên stator

H nh 1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC

H nh 1.3 Cấu tạo của động cơ BLDC đang được đặt ở phòng 207 nhà C1BCũng chính vì cấu tạo không có cơ cấu cổ góp - chổi than nên động cơBLDC mới có nhiều ưu điểm hơn so với các động co một chiều thông thườngnhư ta đã kể ra ở phần trên.

H nh 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ

Từ hình 1.4 ta thấy rằng động cơ BLDC là sự kết hợp từ động cơ xoaychiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và bộ chuyển mạch điện tửtheo vị trí rotor Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoaychiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu Điểm khácbiệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiềuđồng bộ là nó kết hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trícủa cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử

Để xác định vị trí rotor người ta thường sử dụng cảm biến vị trí, hầu hếtcác cảm biến Hall, tuy nhiên cũng có một vài động cơ dùng cảm biến quang học.Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ bapha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổ biến

vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản

Stator động cơ BLDC

Khác với ĐCMC thông thường, stator của động cơ BLDC là phần ứng.Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộndây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator Theotruyền thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của cácđộng cơ cảm ứng khác Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác

H nh 1.5 Stator động cơ BLDCHầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấuvới nhau theo hình sao (Y) hoặc hình tam giác (∆) Mỗi một cuộn dây được cấutạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau Các bối dây này được sắp xếptrong các khe hở và chúng được nối liền với nhau để tạo thành một cuộn dây.Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tựthích hợp để tạo nên một số chẵn các cực Cách bố trí và số rãnh của stator củađộng cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau

H nh 1.6 Dạng sức điện động của động cơ BLDC

BLDC thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha tương ứng với cácloại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Phụ thuộc vào khả năng cấp côngsuất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp Động cơ nhỏ hơn hoặcbằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ Các động

cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứngdụng công nghiệp

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Bách, Lưới điện và hệ thống điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật,2004

[2] Abe Masayuki, “A Practical Approach to Accurate Fault Location on ExtraHigh Voltage Teed Feeders,” IEEE Transaction on Power Delivery, pp 159-

168, 1995

[3] N V L Bùi Quốc Khánh, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học

và kỹ thuật Hà Nội

[4] STMicroelectronics, datasheet STM32F103C8T6

[5] International Rectifier, datasheet IR2110/IR2113

[6] International Rectifier, datasheet IRFZ44N

[7] Instruments Texas, datasheet LM2576, LM2576HV

PHỤ LỤCCode điều khiển động cơ BLDC

5 /* USER CODE BEGIN Header */

16 * This software is licensed under terms that

can be found in the LICENSE file

17 * in the root directory of this software