Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than

Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến: Một là xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phương pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ.. Phương

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUỐC CHIẾN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIẾU KHÔNG CHỔI THAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Quốc Chiến

Sinh ngày 12 tháng 03 năm 1974

Học viên lớp cao học khoá 15 CH.TĐH 02 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ

động cơ một chiều không chổi than” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng

dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2014

Học viên

Nguyễn Quốc Chiến

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận

tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu

phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than ” đã được

hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10.năm 2014

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC 5

1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC 6

1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC 6

1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC 7

1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto 8

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC 8

1.3 Ưu điểm, nhược điểm của động cơ BLDC 10

1.3.1 Ưu điểm 10

1.3.2 Nhược điểm 10

1.4 Một số phương pháp điều khiển động cơ BLDC 11

1.4.1 Phương pháp điều khiển sử dụng cảm biến 11

1.4.2 Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến 16 Chương 2 MÔ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 2.1 Mô hình động cơ BLDC 24

2.2 Mô hình của bộ biến đổi điện áp cấp cho BLDC 29

2.3 Kết luận chương 2 31

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN 3.1 Cấu trúc điều khiển BLDC không dùng cảm biến 32

3.2 Khối ước lượng vị trí rotor và tính toán tốc độ quay 34

3.2.1 Ước lượng back - EMF dây sử dụng bộ quan sát 34

3.2.2 Xác định hàm chuyển mạch 37

3.2.3 Ước lượng tốc độ và vị trí của rotor 38

3.3 Bộ điều khiển dòng điện PWM 41

3.4 Bộ điều khiển tốc độ dùng PI 43

3.5 Kết quả mô phỏng 43

3.6 Kết luận chương 3 48

Chương 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC 4.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm BLDC 49

4.2 Cấu trúc của mô hình 52

4.3 Các thông số của mô hình thực nghiệm 53

4.4 Kết quả thực nghiệm 53

4.5 Kết luận chương 4 55

Kết luận chung của luận văn 56

Tài liệu tham khảo 62

-PI Proportional Integral Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân

giá trị 0

HVAC Heating, Ventilation and Air

Conditioning

Hệ thống gia nhiệt, thông gió và điều hòa không khí IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển

cách ly MOSFEET Metal-Oxide Semiconductor Field-

Effect Transistor

Transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ một chiều không chổi than (The Brushless DC motor -BLDC) nhanh chóng phổ biến với sự áp dụng trong nhiều ngành khác nhau như tự động hóa các trang thiết bị điện trong công nghiệp, trong hàng không, trong y học, trong dân dụng, trong các phương tiện vận tải v.v Động cơ không chổi than dần dần sẽ thay thế động cơ một chiều sử dụng chổi than vì các ưu điểm sau [10][11][12]:

- Đặc tính tốc độ và mô men tốt hơn

- Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ

- Hiệu suất sử dụng cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao đồng trên rôto

- Tuổi thọ động cơ cao do không có chuyển mạch cơ khí

- Động cơ chạy êm, tiếng ồn nhỏ

- Không gây nhiễu khi hoạt động

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho các cuộn dây stator

+ Điều khiển bằng phương pháp PWM

+ Kỹ thuật điện áp hình thang

b Phương pháp không sử dụng cảm biến

Đây là phương pháp sử dụng các ước lượng từ thông rotor để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống Do đó phương pháp này được

gọi là phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến đối với động cơ BLDC là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng được phương pháp điện áp hình thang

Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến:

Một là xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phương pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ

Hai là ước lượng vị trí dùng các thông số của động cơ, các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ Phương pháp này đòi hỏi phải tính toán phức tạp để tính toán các thông số Phương pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành cao Phương pháp ước lượng vị trí rotor dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động đòi hỏi chúng ta phải tạo ra một điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua zero của sức điện động Điểm trung tính có thể là trung tính hoặc trung tính ảo Điểm trung tính ảo trên lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn dây đấu hình Y Tuy nhiên điểm trung tính không phải là điểm cố định Điện áp của điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn Đặc biệt là lúc động cơ khởi động tín hiệu nhận được rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác

Do vậy phương pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính khởi động nhỏ

Trước đây đã có một số nghiên cứu công bố một số mô phỏng cho sự phân tích hoạt động của các động cơ BLDC không sử dụng bộ điều khiển, những đặc tính của chúng được so sánh với tín hiệu mẫu bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân [9] Trong các sức điện động phản hồi có hình dạng là các chuỗi xung hình thang EMF là một hàm của vị trí rô to và hàm chuyển đổi được thông qua tín hiệu điện áp ra của bộ nghịch lưu Kết quả thu được là các thông số về điện áp và dòng điện của bộ nghịch lưu Vì vậy, nếu ta sử dụng bộ xử lý tín hiệu số sẽ rút ngắn thời gian tính toán và có thể trở thành một công cụ thiết kế hữu ích đối với sự phát triển của động cơ một chiều không chổi than BLDC Các kết quả nghiên cứu trong nước thể hiện ở trong các tài liệu [10],[11] mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển PID, PI với

phương pháp có sử dụng cảm biến Các phương pháp này mang lại chất lượng tốt trong dải tốc độ lớn cỡ 500 vòng/phút trở lên, tuy nhiên trong dải tốc độ chậm và rất chậm những phương pháp này không mang lại chất lượng tốt

Với việc ứng dụng vi xử lý trong điều khiển BLDC cho phép chúng ta thực hiện giải pháp không dùng cảm biến nhằm giảm giá thành sản phẩm và khắc phục những khó khăn khi gắn cảm biến, đặc biệt là những động cơ BLDC nhỏ Chính vì vậy việc nghiên cứu và thực hiện giải pháp điều khiển BLDC không sử dụng cảm biến mang tính cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu chung

Luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than sử dụng phương pháp không dùng cảm biến Phương pháp này sử dụng bộ quan sát để ước lượng tốc độ quay và vị trí của rotor nhằm cung cấp cho các bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ, các bộ điều khiển này sử dụng vi xử lý (hoặc DSP- bộ xử lý tín hiệu số) Phương pháp cần phải khắc phục hiện tượng xác định điểm qua không ở dải tốc độ thấp nhằm ước lượng được vị trí của rotor một cách chính xác hơn, kết hợp thuật toán điều khiển tốc độ sử dụng luật điều khiển PI để điều chỉnh tốc độ với độ chính xác hơn trong cả dải tốc độ thấp và tốc độ cao

- Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp

Thiết kế bộ quan sát để ước lượng tốc độ và vị trí của rotor

Thiết kế bộ điều khiển dòng PWM

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ

Mô phỏng bằng Matlab/Simulink

Xây dựng thực nghiệm

- Các kết quả đạt được trong luận văn:

+ Xây dựng được mô hình toán học của động cơ không chổi than

+ Thiết kế được bộ quan sát để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ thay cho cảm biến Hall, giải pháp ước lượng vị trí và tốc độ quay chính xác ở tốc

3 Nội dung của luận văn

Luận văn thực hiện các nội dung sau:

a Tìm hiểu về BLDC, nguyên lý làm việc và các phương pháp điều khiển tốc độ cho BLDC, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp

b Xây dựng mô hình toán của BLDC

c Thiết kế bộ quan sát để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ

d Thiết kế được bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng luật điều khiển PI

e Xây dựng được mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi than 2.5KW

Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chương với bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ BLDC

Chương 2: Mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp

Chương 3: Điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển BLDC

Phần cuối là kết luận chung của đề tài

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Equation Chapter (Next) Section 1

1.1 Tổng quan về động cơ BLDC

Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC Motor) là một dạng động

cơ đồng bộ có kết cấu giống như động cơ một chiều, tuy nhiên động cơ BLDC kích

từ bằng nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator Điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến xác định vị trí rotor Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ

Hình 1-1 Một động cơ một chiều không chổi than có cảm biến Hall đặt bên trong động cơ

Động cơ BLDC là một trong những loại động cơ đã được phổ biến nhanh chóng hơn động cơ một chiều chổi than, chủ yếu là do đặc điểm và hiệu suất của nó

và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, trong hàng không

vũ trụ, trong ngành giao thông vận tải, trong dân dụng v.v bởi vì cấu trúc và mức

độ độ an toàn của nó

Nam châm Rô

Các cảm biến Hall

1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC

Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh, như vậy về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên rôto và phần ứng trên stato

Nam châm vĩnh cửu dùng để kích từ có thể là loại nam châm điện từ hoặc loại nam châm hiếm như: AlNiCo, NdFeB, SmC v.v Với công nghệ chế tạo nam châm ngày càng phát triển mạnh, các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu ngày càng được cải thiện, chất lượng nam châm ngày càng tốt hơn Điều này cho phép động cơ BLDC được chế tạo và ứng dụng nhiều hơn

1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC

Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 1200 điện trong không gian của stato Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ không đồng bộ Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato

Hình 1-2 Cách phân bố các cuộn dây trên stato

Với sự phân bố từ trường và cách phân bố các cuộn dây stato như vậy, động

cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra từ trường phân bố đều hơn, công

nghệ chế tạo đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhưng đập mạch mômen cũng lớn hơn động

cơ có sức điện động hình sin

1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC

Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau, về cơ bản có hai phương pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi rôto

a Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi

Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rô to Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc

độ trung bình và thấp

Hình 1-3 Rôto có nam châm gắn trên bề mặt

b Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi

Trong lõi rôto có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được chèn vào các khe này Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao

Hình 1-4 Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi

Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rôto tạo ra từ trường hướng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rô to

1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto

Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder Có thể đặt các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến bên ngoài lắp vào trục động cơ

Cảm biến hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) được dùng trong động cơ BLDC để xác định vị trí cực nam châm của rotor Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ điều khiển đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC cho cuộn dây stato tương ứng Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trường và có một dòng điện DC chạy qua thì sẽ

có một điện áp sinh ra tại đầu ra của cảm biến

Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ Điện áp U sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từ trường Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân [1, 0] do

đó cả cảm biến đều được chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng xung vuông Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 1200

điện hay

600 điện để xác định chính xác vị trí rô to để điều khiển tương ứng các pha của dòng điện phần ứng stato

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định

Mômen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm rô to tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra

Xu hướng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vuông góc với nhau

Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rô to quay theo Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của rôto Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha

khác đƣợc xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do quá trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất

Trong đó: ea, eb, ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V)

ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A)

ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s)

Để đạt đƣợc yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng đƣợc điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200

điện Nếu không trùng pha với sức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn hao trên stato

Thời điểm chuyển mạch

Sức điện động cảm ứng pha

Dòng điện pha

30

e, i

Hình 1-5 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện

Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp sức điện động cảm ứng pha đƣợc gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến và sẽ đƣợc nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rôto nhƣ mô tả ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây còn có thể thực hiện đƣợc bằng việc xác định vị trí của rôto nhờ các cảm biến vị trí

1.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của động cơ BLDC

1.3.1 Ƣu điểm

Động cơ DC không chổi than BLDC có các ƣu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhƣ: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lƣợng cao Do máy đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rô to nên hiệu suất động cơ cao hơn

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trƣợt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than, vành trƣợt Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rô to

Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

+ Mật độ từ thông khe hở không khí lớn

+ Tỷ lệ công suất/khối lƣợng máy điện cao

+ Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh)

+ Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt đƣợc điều khiển vị trí một cách chính xác)

+ Mômen điều khiển đƣợc ở vị trí bằng không

+ Vận hành ở tốc độ cao

+ Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn

+ Hiệu suất cao

+ Kết cấu gọn

1.3.2 Nhƣợc điểm

Do động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với điều khiển bằng một

bộ điều khiển với điện áp đầu ra dạng xung vuông và cảm biến Hall đƣợc đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rô to nên tăng giá thành đầu tƣ khi sử dụng động cơ BLDC do giá thành chế tạo nam châm vĩnh cửu cao Do phải xác định vị trí của rô

to nên việc điều khiển động cơ BLDC khó khăn hơn động cơ một chiều chổi than

1.4 Một số phương pháp điều khiển động cơ BLDC

Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) Trong đó ta có hai phương pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều khiển đó là điện áp dạng sóng hình thang và dạng sóng hình sin Cả hai phương pháp hình thang và hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và không cảm biến, trong khi phương pháp không cảm biến chỉ dùng phương pháp điện áp dạng sóng hình thang

1.4.1 Phương pháp điều khiển sử dụng cảm biến

Một động cơ BLDC được làm việc bởi độ lệch của điện áp với vị trí rotor

Độ lệch này phải được ứng dụng vào hoạt động bù pha của hệ thống ba cuộn dây pha, để góc giữa từ thông stator và từ thông rotor được giữ gần 900 nhằm tạo ra tối

đa mô men quay Do đó, bộ điều khiển cần một số công cụ xác định hướng/vị trí của rotor (tương đối so với các cuộn dây stator), chẳng hạn như cảm biến hiệu ứng Hall được gắn trong hoặc gần khe hở không khí của máy để phát hiện từ trường của nam châm rotor đi qua Mỗi bộ đầu ra cảm biến cho ở mức độ cao với góc quay

1800 điện và mức thấp với góc 1800 khác Ba bộ cảm biến đặt lệch nhau góc 600tương đối để bù đắp lẫn nhau Bộ chia này quay một vòng thành sáu pha (mã 3-bit)

Hình 1-6 Sự làm việc động cơ BLDC được chuyển mạch điện tử

Quá trình chuyển đổi dòng điện chỉ chạy qua hai pha làm cho rô to quay đi một góc 600

được gọi là chuyển mạch điện tử Động cơ được cung cấp từ một biến tần ba pha và các hoạt động chuyển đổi có thể được sử dụng bộ kích xung đơn giản

bằng cách sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí được gắn tại các điểm thích hợp xung quanh stato Khi đặt tại các điểm cách nhau 600

điện và trùng với các cuộn dây pha Stato các công tắc Hall sẽ cung cấp xung kỹ thuật số mà có thể được giải mã chuyển đổi thành chuỗi ba pha mong muốn Một động cơ BLDC hoạt động với một biến tần sáu bước và cảm biến vị trí Hall thể hiện trong hình 1.7

Hình 1-7 Tín hiệu từ cảm biến Hall, Tín hiệu phản hồi EMF, Mô men quay đầu ra

và các thời điểm tương ứng

Một truyền động như vậy thường có một vòng lặp dòng điện để điều chỉnh dòng điện stator và một vòng lặp tốc độ bên ngoài để điều khiển tốc độ Tốc độ của động cơ có thể được điều khiển nếu điện áp trên động cơ thay đổi, nó có thể đạt

được dễ dàng thay đổi chế độ làm việc của tín hiệu PWM dùng để điều khiển sáu công tắc của cầu ba pha Chỉ có hai công tắc chuyển đổi, một chuyển đổi mức trên

và một chuyển đổi mức thấp, truyền dẫn ngay lập tức tại bất kỳ thời điểm nào Những tín hiệu rời rạc chuyển mạch đảm bảo rằng trình tự các cặp tiến hành dẫn điện đến các cực stato được duy trì Hình 1.7 cho thấy một ví dụ về tín hiệu cảm Hall với tín hiệu phản hồi EMF và dòng điện pha Một trong những cảm biến Hall thay đổi mỗi góc 600 điện Điều này phải mất sáu giai đoạn để hoàn thành một chu

kỳ Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể không hoàn toàn tương ứng với một chu kỳ

cơ khí của rô to Số chu kỳ điện được lặp đi lặp lại để hoàn thành một vòng quay cơ khí được xác định bởi các cặp cực rô to

Đối với động cơ BLDC, để tiết kiệm chi phí thường được sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall Ngoài ra, Cảm biến điện trở (VR) hoặc cảm biến gia tốc đã được áp dụng rộng rãi để xác định vị trí và đo tốc độ động cơ Thực tế cho thấy góc chuyển động cảm biến dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ

Hình 1-8 Mô hình phần tử cảm biến Hall

Điện áp đầu ra của cảm biến Hall được xác định bởi công thức

h r

K I B U

Hầu hết các động cơ BLDC có ba bộ cảm biến Hall bên trong stator vào phần cuối của động cơ Khi nào các cực từ rotor qua cảm biến Hall, nó sẽ cấp một tín hiệu cao hay thấp cho biết cực N hay cực S của rô to đi qua cảm biến

Nam châm Rô to N

Cuộn dây Stato

Nam châm

Rô to S

Các cảm biến Hall Nam châm

cảm biến Hall

Đầu cuối trục Động cơ Đầu trục Động cơ

Cuộn dây Stato

Hình 1-9 Mặt cắt ngang Động cơ BLDC

Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stato Khi các cực của nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha stato Thông thường có hai cách bố trí ba cảm biến Hall trên stato là bố trí lệch nhau 600 hoặc 1200 trong không gian Mỗi cách bố trí

đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rôto quay

Hình 1-10 Trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện

Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà một trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic Cũng từ hình trên thấy rằng trong một chu kỳ điện có sáu sự chuyển mức logic của ba cảm biến Hall Do đó trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch sáu bước

Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu

độ chính xác cao Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến những sai số khi xác định vị trí rôto Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm các nam châm phụ trên rôto để phục vụ cho việc xác định vị trí rôto Các nam châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được gắn trên phần trục rôto nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống

1.4.2 Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến

Động cơ BLDC cung cấp một tín hiệu từ trường cho điều khiển không cảm biến bởi vì bản chất kích từ của nó lấy thông tin vị trí rô to từ điện áp đầu cuối động

cơ Trong kích từ của một động cơ BLDC ba pha, ngoại trừ giai đoạn chuyển mạch pha, chỉ có hai trong ba cuộn dây pha dẫn điện tại một thời điểm và pha không dẫn thì có sức phản điện động Có rất nhiều phương pháp điều khiển không cảm biến Tuy nhiên, loại phổ biến nhất được dựa trên sức điện động hoặc các sức phản điện động Cảm biến sức phản điện động không phải của pha là phương pháp có hiệu quả nhất nhận được từ trình tự chuyển mạch trong các động cơ dây quấn nối hình sao Khi sức phản điện động bằng không tại điểm dừng và tỷ lệ thuận với tốc độ, điện

áp đo lường tại đầu cuối động cơ có tín hiệu nhiễu lớn, tín không thể phát hiện 0 qua tốc độ thấp Đó là lý do tại sao tất cả sức phản điện động trong các phương pháp không cảm biến khi có đặc tính tốc độ thấp là giới hạn

Hình 1-11 Động cơ BLDC làm việc không sử dụng cảm biến điển hình

Trong sơ đồ này, mỗi pha trong ba pha khi chuyển mạch được nhấn mạnh trong một màu sắc khác nhau, bao gồm: Pha A đỏ, Pha B màu xanh lá cây, pha C màu xanh và trung tính điểm N màu hồng Lõi sắt stator của động cơ BLDC có một đặc tính bão hòa từ phi tuyến, đó là cơ sở mà từ đó có thể xác định vị trí ban đầu của rotor Khi cuộn dây stato có điện, điện áp DC đặt lên trong một thời gian nhất định, một từ trường không đổi sẽ được hình thành Sau đó, đáp ứng dòng điện là khác nhau do độ cảm ứng khác nhau, sự thay đổi này của đáp ứng dòng điện chứa các thông tin về vị trí rô to Vì vậy, độ tự cảm của cuộn dây stato là một hàm số của

vị trí rotor Trong đó VDC là điện áp một chiều, RS và LS là điện trở tương đương và

điện cảm của cuộn dây stato tương ứng và e là sức phản điện động hình thang Có hai phương pháp phát hiện back-EMF: Phương pháp phát hiện back-EMF trực tiếp

và phương pháp phát hiện back-EMF gián tiếp

a Phương pháp phát hiện back-EMF điểm về 0 (Cảm biến điện áp đầu cuối)

Cách tiếp cận điểm về 0 là một trong những phương pháp đơn giản nhất của

kỹ thuật cảm biến back-EMF và được dựa trên phát hiện tức thời mà tại đó các sức phản điện động trong pha không bị kích thích điểm về 0 Điểm 0 này tạo nên một bộ đếm thời gian, có thể đơn giản như một bộ dao động RC không đổi, vì thế, biến tần chuyển mạch tuần tự tiếp theo xảy ra vào cuối khoảng thời gian này

Kỹ thuật này làm trễ góc 30° (độ điện) qua điểm 0 tức thời của back-EMF không bị ảnh hưởng nhiều bởi những thay đổi tốc độ Để phát hiện các ZCP, pha back-EMF cần được theo dõi trong pha không dẫn (khi dòng điện pha riêng biệt bằng không) và điện áp đầu cuối sẽ qua bộ qua lọc thông thấp đầu tiên

Hình 1-12 Điểm giao nhau qua 0 của back-EMF và dòng điện pha điểm đảo mạch

Ba bộ lọc thông thấp (LPFs) được sử dụng để loại bỏ các sóng hài cao hơn trong điện áp đầu cuối pha gây ra bởi sự chuyển mạch biến tần Thời gian trễ của LPFs sẽ hạn chế khả năng hoạt động tốc độ cao của động cơ BLDC Phương pháp này có xu hướng nhạy cảm độ nhiễu trong việc phát hiện về điểm 0, và suy giảm hiệu suất vượt trên phạm vi điều chỉnh tốc độ Một hạn chế khác là nó không thể sử dụng điện áp nhiễu đầu cực để nhận được một khuân mẫu chuyển đổi mạch ở tốc độ

thấp từ sức phản điện động bằng 0 tại điểm dừng và tỷ lệ với tốc độ rotor Với phương pháp này, vị trí rotor có thể được phát hiện thông thường là từ 20% tốc độ định mức, sau đó một khoảng tốc độ giảm thường được sử dụng, thường là khoảng 1,000-6,000 rpm

b Phương pháp tích hợp điện áp hài bậc ba

Phương pháp này sử dụng các sóng hài bậc ba của sức phản điện động EMF) để xác định sự chuyển mạch tức thời của động cơ BLDC Nó được dựa trên thực tế là trong động cơ ba nối hình Y đối xứng với sự phân bố từ thông khe hở không khí hình thang, tổng cộng kết quả điện áp 3 pha stato của động cơ trong việc loại bỏ tất cả các thành phần sóng hài có trong các pha như bậc 5, 7, vv Kết quả là

(back-sự vượt trội của các thành phần sóng hài bậc ba giữ một (back-sự dịch chuyển pha không đổi với điện áp khe hở không khí cơ bản cho bất kỳ tốc độ và tải nào Phương pháp này là không nhạy cảm với bộ lọc thông thấp, đạt được một hiệu suất cao cho một dải tốc độ rộng Một hiệu suất khởi động động cơ cao cũng đạt được vì sóng hài bậc

d Phương pháp tích hợp Back-EMF

Trong kỹ thuật này, giai đoạn chuyển mạch xác định bởi sự tích hợp của sức phản điện động của pha không có tín hiệu (có nghĩa là pha không bị kích thích của back-EMF) Đặc điểm chính là vùng tích hợp của các back-EMF xấp xỉ như nhau ở mọi tốc độ Sự tích hợp bắt đầu khi pha không bị kích thích của back-EMF qua

điểm không Khi giá trị tích hợp đạt đến một ngưỡng giá trị được xác định trước, tương ứng với một điểm chuyển mạch, dòng điện pha đã chuyển mạch Nếu hoạt động từ thông suy yếu thì sự tăng dòng điện có thể đạt được bằng cách thay đổi điện

áp ngưỡng Phương pháp tiếp cận tích hợp ít nhạy cảm với nhiễu chuyển mạch và tự động điều chỉnh để thay đổi tốc độ, nhưng tốc độ hoạt động thấp kém do sự tích tụ sai lệch và bù đắp về điện áp từ sự tích hợp

e Phương pháp dựa trên kỹ thuật PWM

Có nhiều phương pháp dựa trên hệ thống điều khiển PWM, nhưng thích hợp nhất thường là góc 120º, loại bỏ điểm trung tính ảo, đối với tốc độ thấp, tốc độ cao

và điều khiển dòng điện trực tiếp được giải thích dưới đây

Kỹ thuật PWM 120° thường

Sơ đồ khối cho một động cơ BLDC ba pha, trong đó bao gồm một biến tần

ba pha và một động cơ BLDC, được thể hiện trong hình 1.11 Nó có thể được điều khiển bằng kỹ thuật PWM cho chuyển mạch chính xác vì thế hai trong ba pha với trạng thái đóng mạch và một pha còn lại với trạng thái hở mạch Hơn nữa, trình tự chuyển mạch được giữ lại theo đúng thứ tự đặt trước như vậy biến tần thực hiện các chức năng của chổi than và vành góp trong một động cơ DC thường, để tạo ra một

từ trường quay stato Hình 1.13 cho thấy các dạng sóng PWM với kỹ thuật thông thường này, trong đó có tổn thất chuyển mạch thấp ở phía biến tần với giá trị thành phần sóng hài bậc cao đáng kể Kết quả này dẫn đến tăng tổn thất ở phía động cơ

Hình 1-13 Dạng sóng PWM với kỹ thuật góc 120 0 thường

Kỹ thuật loại bỏ điểm trung tính ảo

Trong một cấu hình biến tần điển hình, như Hình 1.11 minh họa, hai pha luôn luôn dẫn dòng điện và một pha chỉ chờ sẵn để lấy tín hiệu back-EMF Để lấy back-EMF qua một pha, phương pháp truyền thống đòi hỏi phải giám sát đầu cực pha và điểm trung tính động cơ, như thể hiện trong hình 1.14 Qua điểm không của back-EMF có thể thu được bằng cách so sánh điện áp đầu cuối với điểm trung tính Trong hầu hết các trường hợp, điểm trung tính động cơ không có sẵn Phương pháp thường được sử dụng nhất là xây dựng một điểm trung tính ảo sẽ được về mặt lý thuyết tại điện thế tương tự như điểm trung tính của động

Hệ thống phát hiện thông thường là khá đơn giản và khi một tín hiệu PWM được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ hoặc mô men quay/dòng điện, điểm trung tính ảo dao động ở tần số PWM Kết quả là, có một chế độ điện áp chung rất cao và nhiễu tần số cao Điện áp phân chia và bộ lọc thông thấp, như thể hiện trong hình 1.13, được yêu cầu phải giảm điện áp chế độ chung và giảm thiểu nhiễu tần số cao

Hình 1-14 Cảm biến Back-EMF dựa trên điểm trung tính ảo

Bằng cách loại bỏ điểm trung tính ảo khi lấy tín hiệu back-EMF, một số bộ lọc thấp là cần thiết và qua điểm không của điện áp back-EMF của pha di động có thể được lấy trực tiếp từ điện áp đầu cuối động cơ so với điểm nối đất bằng lựa chọn đúng PWM và cảm biến chiến thuật Bên cạnh đó, điện áp điểm trung tính sẽ là chức năng của mỗi back-EMF pha và sẽ không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ điện áp điều

khiển bên ngoài Ngoài ra, trong phương pháp này các tín hiệu PWM được áp dụng duy nhất chuyển mạch phía cao, và tín hiệu back-EMF được phát hiện đồng bộ trong suốt thời gian PWM nghỉ, như minh họa trong Hình 1.15 Đóng mạch phía thấp chỉ được đóng mạch nối các pha của động cơ Sau đó, back-EMF thực sự có thể được phát hiện trong thời gian PWM nghỉ bởi vì điện áp đầu cuối của động cơ là

tỷ lệ thuận với sức phản điện động pha trong khoảng thời gian này

Hình 1-15 PWM áp dụng cho thiết bị chuyển mạch phía cao của một biến tần

điển hình cho động cơ BLDC

Trong thời gian nghỉ của PWM, điện áp đầu cuối của pha di động tỷ lệ thuận với điện áp back-EMF mà không có bất kỳ nhiễu chuyển mạch xếp chồng lên

Bên cạnh đó, điện áp đầu cuối này là điểm tham chiếu thay thế điểm nối đất

vì điểm trung tính dịch chuyển, vì thế thông tin điện áp điểm trung tính là không cần thiết để phát hiện qua điểm không back-EMF:

Một ứng dụng tốt cho hệ thống truyền động không cảm biến này là trong bơm nhiên liệu ô tô và cho một số thiết bị gia dụng như máy nén khí, máy thổi khí, máy hút bụi và cũng tốt như quạt làm mát động cơ và HVAC (hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa nhiệt độ) ứng dụng động cơ quạt

f Ước lượng và phương pháp dựa trên mô hình

Khi thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi, chẳng hạn như vị trí và tốc độ động cơ, nếu toàn bộ vector trạng thái không thể đo lường được (vì nó là đặc trưng trong các hệ thống phức tạp nhất) và luật điều khiển suy luận không thể được thực hiện Một cách tiếp cận mới mà không trực tiếp tính toán toàn bộ vector trạng thái cần thiết kế có thể được thay thế vào luật điều khiển xác định bằng cách sử dụng một vector trạng thái gần đúng sẽ thay thế trạng thái không đo lường được, là phương pháp đơn giản hơn nhiều trong việc thiết kế hệ thống Ước lượng và phương pháp dựa trên mô hình bao có thể dùng gồm:

Chế độ quan sát trượt (SMO)

Hệ thống thích nghi theo mô hình tham chiếu (MRAS)

Các phương pháp dùng cảm biến xác định vị trí Rotor

Các phương pháp không dùng cảm biến vị trí rotor

Các phương pháp dùng cảm biến vị trí cho phép xác định vị trí của rotor một cách tin cậy tuy nhiên việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến những sai số khi xác định vị trí rôto Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm các nam châm phụ trên rôto để phục vụ cho việc xác định

vị trí rôto Các nam châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ

cho việc hiệu chỉnh Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống

Các phương pháp không dùng cảm biến vị trí xác định vị trí rotor khắc phục được các nhược điểm của phương pháp dùng cảm biến xác định vị trí, giảm giá thành sản phẩm, chính vì vậy trong luận văn này tác giả nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ quay của BLDC không sử dụng cảm biến Hall Để làm được việc này ta cần sử dụng một thuật toán để xác định các tín hiệu gồm: các tín hiệu xác định vị trí của rotor (giống như các tín hiệu của cảm biến Hall) và tín hiệu tính toán tốc độ quay của rotor

Chương 2 MÔ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI

tả toán học đóng vai trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toán học Vì vậy mô hình toán học quyết định đến quá trình tính toán và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ

Trong chương này, luận văn sẽ mô tả mô hình của BLDC trong trường hợp

từ thông được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu trên stator là hình thang, có nghĩa EMF cũng là hình thang (trapezoidal back-EMF) Mô hình của bộ biến đổi điện áp

3 pha và BLDC như Hình 2-1

Hình 2-1 Mô tả BLDC và bộ biến đổi điện áp 3 pha

Giả thiết rằng điện trở các pha là bằng nhau, các điện cảm và hỗ cảm giữa các cuộn dây là hằng số Phương trình điện áp 03 pha có thể biểu diễn bằng phương trình sau đây [7]:

Hình 2-2 Dạng back – EMF, dòng điện các pha và mô men của BLDC

Mô hình BLDC sử dụng Matlab/Simulink nhƣ Hình 2-3, trong đó: các đầu vào A, B, C là các điện áp đặt vào ba cuộn dây stator, Tm là mô men tải, các đầu ra

là các dòng điện stator, back EMF của stator, tốc độ quay của rotor, mô men điện

từ Te và đầu ra cảm biến Hall để xác định vị trí của rotor

Hình 2-3 Mô hình của BLDC sử dụng Matlab/Simulink

Các tham số của BLDC đƣợc cho trong hộp hội thoại sau

Hình 2-4 Các tham số của BLDC

Giả thiết các tham số của một BLDC là: điện trở của các pha Stator, R=0.2Ω, điện cảm Ls 0 0085 H , từ thông móc vòng đƣợc tạo ra bởi các nam châm vĩnh