Nghiên cứu triển khai điều khiển động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motos) và ứng dụng trong lĩnh vực cơ điện tử

Người ta phải tùy thuộc vào vị trí của rotor để đưa ra lệnh điều khiển cấp điện hợp lý cho các cuộn dây động cơ.. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Mã số: 60 52 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội – 2011

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 5

1.1 Giới thiệu động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 5

1.2 Cấu tạo của BLDC 5

1.2.1 Stator 6

1.2.2 Rotor 7

1.2.3 Hall Sensor 9

1.3 Nguyên lý hoạt động của BLDC 10

1.4 Ứng dụng 13

1.4.1 Trong giao thông 13

1.4.2 Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC 14

1.4.3 Quạt gió và quạt tản nhiệt 14

1.4.4 Thiết kế hiện đại 14

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 16

2.1 Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC) 16

2.2 Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC) 20

2.2.1 Điều khiển vòng lặp hở (opened-loop) 26

2.2.2 Điều khiển vòng lặp kín (closed-loop) 26

2.2.3 Thuật toán PID 27

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 29

3.1 Đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ khối xây dựng phần cứng 29

3.2 Các loại IC được sử dụng và đặc điểm của chúng 30

3.2.1 Microchip dsPIC30F2010 30

3.2.3 MOSFET IRFR2407 32

3.2.4 Điện trở shunt và các IC khuếch đại, so sánh 34

3.2.5 MAX232 giao tiếp máy tính 44

3.3 Sơ đồ nguyên lý 45

CHƯƠNG 4 - XÂY DỰNG CẤU TRÚC PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 49

4.1 Phần mềm MPLAB 49

4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ BLDC 52

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

MỞ ĐẦU

Động cơ DC là động cơ điện một chiều hoạt động dòng điện một chiều Stator động cơ DC thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện Rotor động cơ DC có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều Phần quan trọng của động cơ một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động của rotor quay liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Và thời gian hoạt động càng lâu thì bộ phận này sẽ bị mòn và phát sinh tia lửa điện Nên hạn chế của động cơ DC là phải được bảo trì thường xuyên trong môi trường làm việc nhiều bụi, và tránh sử dụng ở những môi trường nguy hiểm dễ xảy ra cháy nổ Trong những trường hợp đó, động cơ DC

đã được thay thế bằng động cơ BLDC (động cơ DC không chổi than) Động cơ BLDC có ưu điểm của động cơ DC là đặc tính cơ tốt, đáp ứng nhanh Bên cạnh

đó động cơ BLDC có những ưu điểm nổi bậc là:

- Tuổi thọ cao (do chỉnh lưu bằng các linh kiện điện tử thay cho chổi than)

- Vận hành êm ái (nhờ cấu tạo của động cơ)

- Làm việc được trong môi trường nguy hiểm (do không phát sinh tia lửa điện)

Điều khiển động cơ BLDC không đơn giản như loại động cơ DC Người

ta phải tùy thuộc vào vị trí của rotor để đưa ra lệnh điều khiển cấp điện hợp lý cho các cuộn dây động cơ Có rất nhiều driver điều khiển động cơ BLDC được các nhà sản xuất cung cấp, ví dụ như: bộ driver TMCM-171 của hãng TRINAMIC sản xuất dùng cho động cơ BLDC điện áp cấp từ 12 đến 24 V DC, dòng chịu được có thể lên tới 20A Các động cơ đó có công suất từ vài đến 1KW BL300-TO của hãng TECO cũng dùng cho động cơ BLDC 12/24 V DC nhưng công suất dưới 300W Tuy nhiên giá thành của các bộ driver trên còn cao Việc xây dựng và chế tạo một driver cho động cơ BLDC là việc làm cần thiết Cùng với đó góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo các loại động cơ sử dụng năng lượng điện dần thay thế các loại động cơ sử dụng xăng

Trong luận văn này, bộ điều khiển sử dụng dsPIC 30F2010 của hãng Microchip sản xuất, dsPIC 30F2010 là dòng PIC chuyên dùng để điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ BLDC

CHƯƠNG 1 - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

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

Động cơ một chiều thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với mục đích điều khiển Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp

và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor)

Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường

Hình 1 Thành phần cơ bản của động cơ BLDC

1.2 Cấu tạo của BLDC

Về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3 phần chính

đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác

1.2.1 Stator

Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi than là dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha Dây quấn ba pha có hai sơ

đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác ∆

Hình 2 Stator của động cơ một chiều không chổi than

Stator của BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator Theo truyền thống cấu tạo stator của BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác Hầu hết tất

cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặc hình tam giác Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây nối liên với nhau Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liên nhau để tạo nên một cuộn dây Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau

Sự khác nhau trong các nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên

sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động BLDC có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính vì sự khác nhau này mà tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là BLDC hình sin và BLDC hình thang

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 có thêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức điện động là lớn

hơn

Hình 3 Các dạng sức điện động của BLDC

Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3 Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 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 ứng dụng công nghiệp

1.2.2 Rotor

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

Hình 4 Rotor của BLDC

Rotor được cấu tạo từ các nâm châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ

2 đến 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 hợp được chọn tương ứng Nam châm Ferrite thường được sử dụng Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến Nam châm Ferrite rẻ hơn nhưng mật 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 đạt được momen tương tự Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite

Hình 5 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

1.2.3 Hall Sensor

Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của động cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện từ Tức là các cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điều quan trọng là cần phải biết vị trí của rotor để tiến 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 trong stator

Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có 3 cảm biến

Hall đặt ẩn bên trong stator, ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ

Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall Đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn

Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của 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, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879

Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến Các cảm biến Hall 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 mà cần phải thực hiện trong quá trình điều khiển động cơ

Các cảm biến Hall cần được cấp nguồn Điện áp cấp có thể từ 4V đến 24V Yêu cầu dòng từ 5mA đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần để ý đến đặc điểm kỹ thuật tương ứng của từng loại động cơ để biết được chính xác điện

áp và dòng của các cảm biến Hall được dùng Đầu ra của các cảm biến Hall thường là loại open-collector Vì thế, cần có điện trở treo ở phía bộ điều khiển nếu không có điện trở treo thì tín hiệu mà chúng ta có được không phải là tín

1.3 Nguyên lý hoạt động của BLDC

Động cơ BLDC thông thường được điều khiển bởi bộ chuyển điện áp cấp cho 3 pha của motor, phụ thuộc vào một cảm biến vị trí của motor từ lúc bắt đầu

và cho việc cung cấp sự chuyển mạch chính xác để điều khiển bộ chuyển điện

áp Các cảm biến vị trí này có thể là Hall sensor, resolver hoặc cảm biến vị trí tuyệt đối Một hệ thống điều khiển động cơ BLDC đặc trưng với cảm biến vị trí được biểu diễn ở hình:

Hình 6 Hệ thống điều khiển động cơ BLDC

Với 6 bước chuyển mạch Khoảng dẫn cho mỗi pha là 1200 bằng góc điện tương ứng Chuỗi chuyển mạch pha như sau AB-AC-BC-BA-CA-CB (hình)

Hình 7 Khoảng dẫn của pha A

Hình 8 Khoảng dẫn của pha B

Hình 9 Khoảng dẫn của pha C

Hình 10 Giản đồ liên quan giữa tín hiệu Hall sensor với điện

áp cấp của động cơ BLDC

Mỗi đoạn dẫn gọi là 1 bước Bởi thế, chỉ có 2 pha cùng lúc dẫn, pha thứ 3 (pha còn lại) được để trống Để tạo ra moment xoắn cực đại bộ chuyển đổi điện cấp cho 3 pha motor nên được chuyển mỗi 600 để cho dòng pha đồng bộ với sức phản điện Thời gian chuyển mạch được xác định bởi vị trí của rotor được dò bởi Hall sensor hoặc được ước lượng từ những thông số của động cơ, nghĩa là từ sức phản điện của cuộn dây để trống trong động cơ khi hoạt động (nếu đó là chế

độ sensorless)

Những cảm biến đó sẽ làm tăng chi phí và kích thước của động cơ, và một

sự sắp xếp về cơ khí đặc biệt cần được tạo ra cho cái giá đặt sensor Những cảm biến này, đặc biệt là Hall sensor, dễ hư hỏng do nhiệt độ, giới hạn tầm hoạt động của motor dưới 750C Mặt khác, chúng còn làm giảm sự tin cậy của hệ thống bởi các linh kiện và hệ thống dây dẫn Trong một số ứng dụng, nó khó có thể được trang bị cảm biến vị trí trên động cơ được Chính vì thế, điều khiển động cơ không chổi quét (BLDC) mà không dùng cảm biến (chế độ sensorless) được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây

1.4 Ứng dụng

Động cơ BLDC có đầy đủ các chức năng của một động cơ DC có chổi than, nhưng do giá cả và việc điều khiển động cơ loại này phức tạp nên động cơ loại này không thể thay thế loại động cơ không chổi than trong các ứng dụng giá

cả rẻ Tuy nhiên, các động cơ có ưu thế trong nhiều ứng dụng, nhất là các thiết

bị như các ổ cứng máy tính, máy chơi nhạc CD/DVD Các quạt tản nhiệt nhỏ trong thiết bị điện tử là động cơ BLDC Loại động cơ này có thể được tìm thấy trong các dụng cụ máy không dây mà hiệu suất động cơ tăng lên dẫn tới thời gian sử dụng trước khi thay pin để sạc dài hơn Các động cơ BLDC tốc độ thấp, công suất thấp được sử dụng trong mâm xoay của các đĩa audio “analog”

1.4.1 Trong giao thông

Động cơ BLDC công suất cao được dùng trong các phương tiện (xe đạp,

xe máy) điện và các phương tiện lai (tổ hợp) Các động cơ này là các động cơ không đồng bộ AC dùng rotor là nam châm điện vĩnh cửu

Các hãng xe tự cân bằng Seway và xe tay ga Vectrix cũng sử dụng công nghệ BLDC

1.4.2 Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC

Nhiều xe điện sử dụng động cơ BLDC được lắp vào máy ở xe cùng với stator được gắn cứng vào trục và nam châm được gắn và quay cùng với bánh Máy xe đạp chính là động cơ Loại xe điện này cũng có cơ cấu chuyển động với pedal, bánh xích và xích …

1.4.3 Quạt gió và quạt tản nhiệt

Có một xu hướng trong nền công nghiệp đông lạnh và tản nhiệt là sử dụng động cơ BLDC thay thế cho các loại động cơ AC Lý do quan trong nhất để chuyển sang dùng động cơ BLDC là động cơ này giảm công suất để vận hành

nó Trong khi động cơ có cực che và động cơ khởi động bằng tụ điện là sự lựa chọn thích hợp khi lựa chọn quạt động cơ, thì nhiều quạt hiện nay sử dụng một động cơ BLDC Một vài quạt sử dụng động cơ BLDC để tăng hiệu suất tổng của

1.4.4 Thiết kế hiện đại

Động cơ BLDC là sự lựa chọn thường thấy cho các mô hình máy bay có

cả trực thăng Công suất công suất và khối lượng cùng với dải rộng các kích cỡ,

từ 5 gam tới động cơ lớn với hàng nghìn wat là cuộc cách mạng trong kinh doanh mô hình bay sử dụng điện

Hình 11 Mô hình máy bay, phản lực và xe mô hình

Những giới thiệu ở trên đã làm thay đổi và cần phải định nghĩa lại thế nào

là mô hình máy bay và mô hình trực thăng, động cơ BLDC đã thay thế tất cả các động cơ điện có chổi than Động cơ loại này hình thành các mô hình máy bay điện loại nhẹ hơn hẳn các mô hình trước đây, nặng hơn và lớn hơn Tỷ số công suất trên khối lượng lớn của động cơ và pin cho phép mô hình tăng tốc độ và lên được cao hơn Ngoài ra nhiễu ít và khối lượng nhỏ hơn so với loại ga phát sáng cũng là một lý do để động cơ BLDC trở nên phổ biến

Những hạn chế của việc sử dụng nhiên liệu cháy trong mô hình động cơ

đã được hỗ trợ và chuyển sang hệ thống điện công suất cao

Xe mô hình điều khiển bằng radio, xe tải sử dụng động cơ loại có sensor với 6 dây kết nối với cảm biến Hall cho phép phát hiện vị trí của nam châm rotor… Và nhiều ứng dụng khác nữa của động cơ BLDC ví như trong các thiết

bị y tế, máy rút tiền ATM…

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

2.1 Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC)

Brushless DC là một trong những loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, có nam châm vĩnh cửu nằm trên rotor và sức phản điện (EMF) dạng hình thang Brushless DC dùng một nguồn xung cung cấp đến các pha trên stator của động cơ, chuỗi đóng ngắt được xác định từ vị trí của rotor Pha dòng điện của Brushless DC, có dạng hình chữ nhật, đồng bộ với sức phản điện (EMF) tạo

ra moment xoắn không đổi tại một tốc độ không đổi Nhờ sức phản điện (EMF) này mà bộ điều khiển theo chế độ sensorless hoạt động chính xác

Về cơ bản, có hai kiểu điều khiển dạng sensorless Kiểu đầu tiên là định vị trí bằng cách sử dụng sức phản điện từ cuộn dây (để hở) của động cơ khi đang hoạt động, và kiểu thứ hai là ước lượng vị trí bằng cách sử dụng các thông số motor như đầu ra dòng áp Kiểu thứ hai mạch điều khiển cần phải có DSPs (chip

xử lý tín hiệu) để thực hiện tính toán, điều này đồng nghĩa với giá thành hệ thống cao Như thế mạch điện điều khiển sensorless kiểu định vị trí trục động cơ bằng sức phản điện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất Giản đồ sau cho thấy rõ sự chuyển đổi điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC:

Hình 12 Giản đồ cho thấy sự liên quan các pha điện

áp và những điều “0”

Qua giản đồ trên thấy rõ động cơ BLDC khi hoạt động, chỉ có hai trong

ba pha được cấp điện cùng 1 khoảng thời gian, và pha còn lại được để trống Giá trị điện áp của sức phản điện từ cuộn dây để trống được dùng xác định điểm

“zero” như trong giản đồ đã biểu diễn Từ đó thiết lập sự chuyển mạch của các linh kiện trong bộ chuyển đổi điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC

Như vậy sự chuyển mạch của các linh kiện sẽ được quyết định bởi điểm

“zero” ở chế độ sensorless thay cho sự quyết định của các tín hiệu Hall sensor Động cơ BLDC hoạt động dựa trên tín hiệu “zero” phát hiện được

Như đã trình bày ở phần trên, thời gian chuyển mạch được xác định bởi vị trí của rotor Từ hình dạng của sức phản điện chỉ ra vị trí của rotor, nó có thể xác định thời gian chuyển mạch nếu biết được sức phản điện Nếu chỗ giao với điểm “0” của sức phản điện được dò ra, chúng ta sẽ biết được lúc nào tiến hành chuyển mạch dòng điện

Trong cùng khoảng thời gian, chỉ có 2 pha dẫn điện, pha còn lại để hở (trống) Pha để trống này dùng để dò sức phản điện trong cuộn dây động Khái niệm trên được thể hiện qua mạch sau:

Hình 13 Mạch dò điển “0” của sức phản điện với sự tham gia

của điểm trung tính 3 pha của động cơ BLDC

Đầu ra điện áp của cuộn dây động cơ có thể đo được Trong mạch trên cần điểm trung tính về điện áp của motor để có được điểm qua zero của sức phản điện EMF, từ đó sức phản điện được tham chiếu với điểm trung tính của motor qua Đầu ra điện áp được so sánh với điểm trung tính bằng các opamp, sau đó có thể nhận được điểm qua zero của sức phản điện

Đa số các trường hợp, điểm trung tính của motor thường thì không có Trong áp dụng thực tế, phương pháp thông dụng là xây dựng điểm “0” ảo, nơi

có giá trị điện áp tương đương điểm trung tính Điểm “0” ảo được tạo ra bởi các điện trở Mạch cũng tương đối đơn giản Mạch điểm “0” ảo tạo ra từ ba điện trở nối chung một đầu lại với nhau và các đầu còn lại nối với các pha của động cơ BLDC

Hình 14 Mạch dò điểm zero với điểm trung tâm ảo

Bởi vì bộ điều rộng xung lái, điểm trung tính là điểm không cố định Điện

áp của điểm đó nhảy lên và xuống Nó tạo ra kiểu điện áp thường rất cao và nhiễu tần số cao nữa Vì thế chúng ta cần những bộ chia điện áp và những bộ lọc thông thấp để làm giảm kiểu điện áp cao đó và làm phẳng nhiễu tần số cao

Hình 15 Mạch dò sức điện qua điểm 0 phát triển dựa trên điểm “0” ảo

Như ở chương 1 đã giới thiệu, có thể mô hình hóa động cơ BLDC tương

tự như động cơ DC bình thường Nên có thể áp dụng luật điều khiển PID khi điều khiển tốc độ động cơ BLDC

2.2 Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC)

Để quay động cơ thì phải có từ trường qua Động cơ BLDC 3 pha có 3 pha stato được kích hoạt ở cùng một thời điểm để tạo ra từ trường quay Phương pháp này đơn giản để thực hiện nhưng để tránh từ trường nam châm vĩnh cửu khóa thì kích thích trên stator phải theo thứ tự trong một cách thức đặc biệt khi biết chính xác vị trí của từ trường rotor Thông tin của vị trí có thể có được hoặc bằng encoder xác định vị trí của trục hoặc bằng cảm biến Hall xác định vị trí của nam châm roto Với động cơ loại 3 pha đặc biệt, động cơ BLDC có cảm biến, có

6 vùng khác nhau hoặc phần khác nhau trong đó có hai cuộn dây được kích Có thể xem ở hình 16

Hình 16 Sơ đồ chuyển mạch BLDC

Bằng cách đọc giá trị của cảm biến Hall, mã 3-bit có thể dùng để lưu trữ giá trị từ 1 đến 6 Mỗi giá trị của mã miêu tả một vị trí của rotor Ứng với mỗi giá trị đó sẽ cho chúng ta thông tin xem cuộn nào cần được kích Do đó một bảng tra đơn giản có thể dùng bằng cách lập trình để xác định hai cuộn nào của động cơ được kích và do đó quay động cơ

Chú ý rằng giá trị 0 và 7 là giá trị không hợp lệ của cảm biến Hall Phần mềm sẽ kiểm tra các giá trị này và phát xung PWM tương ứng hoặc disable nó

đi

• CN Inputs

Dựa vào phân tích trên cảm biến hall có thể được nối với đầu vào dsPIC30F2010 Khi đầu vào thay đổi trạng thái thì tạo ra một ngắt Ngắt này nằm trong thủ thục ngắt CN, chương trình ứng dụng người dùng đọc giá trị cảm biến Hall và sử dụng nó để tạo ra bảng tra để điều khiển các cuộn dây động cơ BLDC

• Module điều chế độ rộng xung (MCPWM)

Sử dụng phương pháp trên có thể làm động cơ BLDC quay với tốc độ

động cơ Việc này có thể thực hiện được bằng cách điều chế độ rộng xung PWM

Ở dòng vi điều khiển dsPIC30F có tới 6 đầu ra PWM có thể điều khiển tín hiệu PWM Như trong hình 17, ba cuộn dây được kéo lên ON phía cao, điều khiển ON phía thấp hoặc không điều khiển tất cả sử dụng 6 chuyển mạch, IGBT hoặc MOSFET Khi môt chân của cuộn dây được nối như trong ví dụ, vào phía cao, tín hiệu PWM có thể đặt vào phía thấp driver Điều này tương đương với các tín hiệu PWM ở phía cao và nối phía thấp với Vss hoặc GND Khi điều khiển tín hiệu PWM, driver ở phía thấp được ưu dùng hơn ở phía cao

Hình 17 Ví dụ phần cứng phương pháp điều khiển BEMF

PWM của dòng dsPIC30F còn được gọi là MCPWM Module này được thế kế đặc biệt cho điều khiển các ứng dụng động cơ đặc biệt

MCPWM có thanh ghi cơ sở 16 bit PTMR (timer), timer này tăng do người dùng định nghĩa clock tick Người dùng cũng quy định tới tần số của PWM bằng cách cài đặt một giá trị và load nó với các thanh ghi PTPER PTMR được so sánh với giá trị PTPER ở mỗi chu kỳ Tcy Khi 2 thanh ghi có giá trị bằng nhau thì một chu kỳ mới được bắt đầu

Duty cycle được điều khiển tương tự bằng cách load một giá trị vào 3 thanh ghi điều khiển duty cycle Không giống như so sánh tần số, giá trị trong

thanh ghi duty cycle được so sánh sao cho một Tcy/2 (nhanh gấp đôi so sánh tần số)

Nếu giá trị PTMR và PDCX bằng nhau thì duty cycle tương ứng được kéo lên cao hoặc thấp tùy theo chế độ PWM được chọn

Có một vài chế độ được cấu hình trong module MCPWM Đầu ra Edge aligned có thể là chế độ được sử dụng thường xuyên Trong hình 19 miêu tả chế

độ Edge aligned PWM Ở lúc bắt đầu, đầu ra được kéo lên mức cao Khi PTMR tăng lên bằng với giá trị thanh ghi duty cycle thì đầu ra ở mức thấp Khi PTMR bằng giá trị trong thanh ghi PTPER thì một chu kỳ mới sẽ được bắt đầu

và đầu ra lại lên mức cao ở lúc bắt đầu trong chu kỳ mới

Hình 19 Xung PWM kiểu Edge aligned

Các chế độ khác của MCPWM có thể được cài đặt là center-aligned PWM

và single-shot PWM Các chế độ này không đề cập ở đây bởi vì nó không được

sử dụng để điều khiển động cơ BLDC

Đặc điểm quan trọng của MCPWM được sử dụng ở ứng dụng điều khiển BLDC là chế độ Overide Control (Điều khiển ghi đè) Chế độ này cho phép người dùng ghi trực tiếp vào thanh ghi OVDCON và điều khiển các chân xuất thanh ghi OVDCON có 2 trường 6 bit Mỗi trường 6 bit tương ứng một chân xuất Phần byte cao của thanh ghi OVDCON xác định nếu chân xuất tương ứng được điều khiển bằng một tín hiệu PWM (khi set lên 1) hoặc (khi set về 0) điều khiển hoạt động/không hoạt động bằng trường bit tương ứng trong phần byte thấp của thanh ghi OVDCON Đặc điểm này cho phép người dùng cài đặt tín

hiệu PWM nhưng không điều khiển tất cả các chân xuất ra Với động cơ BLDC các thanh ghi PCDx được ghi cùng một giá trị

Tùy thuộc vào giá trị trong thanh ghi OVDCON , người dùng có thể chọn chân nào sẽ xuất tín hiệu PWM và chân nào hoạt động hoặc không hoạt động Khi điều khiển động cơ BLDC có phản hồi điều này cần thiết để điều khiển cùng lúc 2 cặp cuộn dây phụ thuộc vào vị trí của rotor và điều này được xác định bởi giá trị của cảm biến hall phản hồi về Trong trình phục vụ ngắt CN giá trị của cảm biến hall được đọc và sau đó được sử dụng để ghi vào một bảng giá trị, chính giá trị này được load vào thanh ghi OVDCON để điều khiển việc đóng mở các MOSFET Bảng 1 và hình 20 chỉ ra sự khác nhau giữa các vị trí của rotor và

do đó các cuộn dây nào cần

Bảng 1 Ví dụ về giá trị nạp vào thanh ghi OVDCON

Hình 20 Xuất xung PWM điều khiển ứng với bảng trên

2.2.1 Điều khiển vòng lặp hở (opened-loop)

Trong điều khiển vòng lặp mở, MCPWM điều khiển trực tiếp tốc độ động

cơ dựa vào điện áp vào ở Speed Pot Sau khi cài đặt MCPWM, ADC, các Port

và các đầu vào CN, chương trình chờ kích hoạt tín hiệu đầu vào (ví dụ có một nút bấm khởi động), cảm biến Hall được đọc về Dựa vào giá trị này, giá trị tương ứng được nhận từ bảng dữ liệu và được ghi vào OVDCON Lúc này động

cơ sẽ bắt đầu quay

Ban đầu duty cycle được cài đặt mặc định là 50% Ở vòng lặp tiếp theo thì giá trị của chiết áp được đọc và giá trị của nó được ghi vào thanh ghi như duty cycle Giá trị này sẽ xác định tốc độ của động cơ Giá trị này lớn động cơ sẽ quanh nhanh và ngược lại giá trị này nhỏ động cơ sẽ quay chậm hơn Tốc độ được điều khiển bằng điện áp biểu diễn như hình 21

Hình 21 Chế độ điều khiển vòng lặp hở

Cảm biến Hall được nối với chân CN Ngắt CN được kích hoạt Khi rotor quay, vị trí của nam châm rotor thay đổi và rotor quay qua các phần khác nhau Mỗi vị trí của rotor sẽ được nhận biết bởi ngắt CN Trong thủ tục ngắt CN được biểu diễn trong hình 21 cảm biến Hall được đọc và dựa vào giá trị này sẽ ghi vào một bảng (bảng tra) và ghi vào thanh ghi OVDCON Điều này đảm bảo các cuộn dây được kích thích đúng và động cơ sẽ quay liên tục không bị dừng, giật

do kích thích không đúng thứ tự

2.2.2 Điều khiển vòng lặp kín (closed-loop)

Với điều khiển vòng lặp đóng sự khác biệt cơ bản là sử dụng luật điều khiển PI để điều khiển tốc độ động cơ Điều này đảm bảo tốc độ chính xác, TMR3 được sử dụng là một timer làm vòng quét Khi sử dụng động cơ 10 cực, 5

chu kỳ điện trong một chu kỳ máy Nếu T giây là thời gian cho một vòng quét điện thì tốc độ S=60/(P/2*T) rpm, trong đó P là số cực Điều khiển được biểu diễn như trong hình 22

Hình 22 Điều khiển vòng lặp đóng

Ở đây có nhắc tới thuật toán PID để điều khiển tốc độ động cơ BLDC Do vậy tác giả cũng nhắc qua về phương pháp PID này ở phần sau đây

2.2.3 Thuật toán PID

PID (Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm)).Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động, vì:

• Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản,dễ hiểu và dễ sử dụng đối với người làm thực tế

• Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển

• Các luật điều khiển P,PI và PID số thích hợp cho phần lớn các quá trình công nghiệp

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV)

Đôi khi cách viết điều khiển PID dưới dạng biến đổi Laplace lại rất thuận

Hình 23 Sơ đồ thuật toán PID

Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lược bớt để trở thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD Công việc chính của người thiết kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạt động tốt và ổn định (quá trình này gọi là PID gain tuning) Đây không phải là việc dễ dàng vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ BLDC

3.1 Đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ khối xây dựng phần cứng

Phần cứng được xây dựng với trung tâm là vi điều khiển dsPIC30F được

sử dụng chuyên dùng cho việc điều khiển động cơ (có tới 6 PWM) Các chân điều khiển PWM được nối với một IC cầu IR2101S (3 con ICs) và các chân OUTPUT của IC cầu này được nối với MOSFET IRFR2407 (6 con MOSFETs) Xung PWM để điều khiển động cơ thông qua mạch cứng này (IR2101S và IRF2407) để điều khiển động cơ BLDC

Thiết kế mạch phần cứng còn có điện trở shunt với giá trị rất nhỏ (0.025 Ohm) được sử dụng nhằm mục đích hạn chế dòng không được vượt qua một giá trị cho phép Chi tiết hơn về việc sử dụng điện trở shunt như thế nào sẽ được đề cập ở phần sau

Sơ đồ khối của mạch phần cứng được thể hiện đơn giản như sau:

Hình 24 Sơ đồ khối phần cứng mạch điều khiển BLDC có phản hồi