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
Trang 1ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÀI TẬP LỚNVi điều khiển và ứng dụngĐề 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
Trang 2DANH SÁCH HÌNH VẼ 6
DANH SÁCH BẢNG BIỂU 8
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔITHAN (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 KHIỂNĐỘNG 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 – phươngpháp 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
Trang 3Mosfet IRFZ44N 36
IC đóng mở Mosfet IR2110 37
IC hạ áp LM2576 38
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
Trang 4DANH 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 độquay 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
Trang 5Hình 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
Trang 6DANH 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
Trang 7CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔITHAN (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 độngcơ 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 đasố 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, thiếtbị 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
Trang 8với 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.
- Dải tốc độ rộng.- Mật độ công suất lớn.
- Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).
- Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không.- Kết cấu gọn.
- 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.
Trang 9B ng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một chiềuĐộng cơ
BLDC Động cơ 1chiều Ưu/ nhược điểm của động cơBLDC so với động cơ 1 chiềuBộ
Đảo chiềubằng điện tử
dựa trênthông tincảm biến vị
trí rotor
Đảo chiềuđộng cơđiện cơ khí
bằng chổithan, cổ
Động cơ BLDC sử dụng chuyểnmạch điện tử thay cho chuyển mạch
cơ khí
Hiệu suất Cao Trung bình Điện áp rơi trên các linh kiện điện tửnhỏ hơn điện áp rơi trên chổi thanBảo trì
Rất ít (có thểkhông cần
bảo trì) Định kỳ
Động cơ BLDC sử dụng chuyểnmạch điện tử nên không cần bảo trì
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 tản
nhiệt của dây quấn rotor khó khănhơn
Tỷ sốcông suất
ra so vớikích cỡ
Cao Trung bình,thấp BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửubằng vật liệu tiên tiến, không có tổnhao trên rotor
Đặc tíchtốc độ /
momen Bằng phẳng
Tương đốibằng phẳng
Động cơ BLDC không sinh ra ma sátở 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
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 góp
khiển Phức tạp Đơn giản
Động cơ BLDC có cảm biến Hall trảgiá trị về để điều khiển các ban
Trang 10Giá thành Cao Thấp Do động cơ được kích từ bằng namchâm vĩnh cửu nên khi chế tạo giáthành 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 bộdo 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 điệntử 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
Trang 11H 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 biếnvì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.
Trang 12Stator 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 BLDC
Hầu 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 độngcơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứngdụng công nghiệp.
Trang 13TÀI 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.
Trang 14PHỤ LỤCCode điều khiển động cơ BLDC
5 /* USER CODE BEGIN Header */6 /**
7
8 * @file : main.c
9 * @brief : Main program body10
11 * @attention12 *
13 * Copyright (c) 2023 STMicroelectronics.14 * All rights reserved.
21 */
22 /* USER CODE END Header */23 /* Includes
-24 #include "main.h"25
26 /* Private includes
-27 /* USER CODE BEGIN Includes */28
29 /* USER CODE END Includes */30