Điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến

Động cơ không chổi than dần dần sẽ thay thế động cơ một chiều sử dụng chổi than vì các ưu điểm sau Error: Reference source notfoundError: Reference source not foundError: Reference sourc

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn 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 Error: Reference source notfoundError: Reference source not foundError: Reference source not found:

- 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

- Có thể điều chỉnh dải tốc độ rộng

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 Error: Referencesource not found Các kết quả nghiên cứu trong nước thể hiện ở trong các tài liệu Error: Reference source not found,Error: Reference source not found 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 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

- 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

3 Cấu trúc của luận văn

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 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

Hình 0-1 Một động cơ một chiều không chổi than có cảm biến Hall đặt bên trong

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

1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC

1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC

Hình 0-2 Cách phân bố các cuộn dây trên stato

1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC

a Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi

Hình 0-3 Rôto có nam châm gắn trên bề mặt

b Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi

Hình 0-4 Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi

1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto

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

S

N N

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

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

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

1.3Ưu điểm, nhược điểm của động cơ BLDC

1.3.1 Ưu điểm

Động cơ DC không chổi than BLDC có các ưu điểm sau:

+ Mật độ từ thông khe hở không khí lớn

+ Tỷ lệ công suất/khối lượng 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 được điều khiển vị trí một cách chính xác)

+ Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không

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

+ Hiệu suất cao, kết cấu gọn

+ Chi phí bảo dưỡng thấp

1.3.2 Nhược điểm

+ Giá thành cao

+ Việc gá lắp cảm biến là một quá trình phức tạp, yêu cầu cần độ chính xác cao+ Động cơ cần phải có không gian để đặt cảm biến, nên hạn chế đối với những động cơ có công suất nhỏ, lắp đặt ở nhưng vị trí không gian nhỏ hẹp

1.4 Một số phương pháp điều khiển động cơ BLDC

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 vị trí của rotor (tương đối so với các cuộn dây stator), chẳng hạn như cảm biến hiệu ứng Hall được gắn

Trang 4

trong hoặc gần khe hở không khí của máy để phát hiện từ trường của nam châm rotor

đi qua

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 cảm biến

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

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

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

Hình 0-5 Sự làm việc động cơ BLDC

được chuyển mạch điện tử.

EMF, Mô men quay đầu ra và các thời điểm tương ứng.

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

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

(back-cả các thành phần sóng hài có trong các pha như bậc 5, 7, vv Kết quả là sự vượt trội của các thành phần sóng hài bậc ba giữ một 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 không nhạy cảm với

bộ lọc thông thấp, đạt được hiệu suất cao đối với dải tốc độ rộng

c Phương pháp phát hiện sự dẫn dòng Điốt bảo vệ chống dòng điện tự cảm dẫn (cảm biến dòng điện đầu cuối)

Trong kỹ thuật này, các thông tin vị trí có thể được phát hiện trên cơ sở trạng thái dẫn điện của điốt bảo vệ chống lại dòng điện tự cảm nối song song với transistor nguồn vì một dòng điện chạy ngược trong một pha Trong pha này bất kỳ tín hiệu hoạt động được đưa đến mặt dương hay âm của các transistor và kết quả dòng điện từ các back-EMF sinh ra trong các cuộn dây động cơ Cách tiếp cận này làm cho nó có thể phát hiện vị trí rô to trên một phạm vi tốc độ rộng, đặc biệt là ở tốc độ thấp hơn và

để đơn giản hóa các quá trình khởi động

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

Trang 6

và dòng điện pha điểm đảo mạch.

mọi tốc độ Sự tích hợp bắt đầu khi pha không bị kích thích của back-EMF qua điểm

0 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

Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng kỹ thuật

PWM cho chuyển mạch chính xác, vì 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

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 cơ

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

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

trên điểm trung tính ảo

năng của mỗi back-EMF pha và sẽ không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ điện áp điều khiển bên ngoài

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP

2.1 Mô hình động cơ BLDC trên hệ tọa độ dq

Hình 0-10 Mô tả BLDC và bộ biến đổi điện áp 3 pha

Phương trình điện áp 03 pha có thể biểu diễn bằng phương trình sau:

• Rs là điện trở của các cuộn dây stator

• i i i a b c, , là các dòng điện các pha stator

• L M s, là điện cảm và hỗ cảm giữa các cuộn dây

• e e e a b c, , là back – EMF của các pha

• ωm là là tốc độ động cơ

Phương trình mô men được viết là

a a b b c c e

m 2

i 1

qd 2abc

s,c

iq,id is

iq ,id

vq ,vd we iq,id

abc 2qd

Vab,Vbc

the s,c

vq ,vd

Te f(u) Selector

Hall effect sensor

the Hall

the 3 we 2

v 1

Hall

Hall

Trang 8

Hình 0-11 Sơ đồ khối mô phỏng phần điện

Mô hình phần cơ được mô tả như Hình 0 -12

m 3 the 2 we 1

Mux -K-

K

- -K-

-K-K Ts z-1

K Ts z-1

Te 2

input 1

Hình 0-12 Sơ đồ khối mô phỏng phần cơ

Mô hình mô phỏng từ góc quay của rotor để chuyển thành tín hiệu ra của cảm biến Hall

Hall 1

Convert Convert Convert

0 -180 -120 60 120 -60 Angle converter

the the_deg

the 1

Hình 0-13 Sơ đồ khối mô phỏng cảm biến Hall

Mô hình giải mã tín hiệu của cảm biến Hall để xác định EMF của ba pha A, B,

C Mô hình này xác định theo bảng trạng thái sau:

Bảng 0-1 Bảng xác định EMF của các pha A, B, C từ tín hiệu của cảm biến Hall

AND AND AND AND AND AND

Logical Operator 1 NOT

Convert Convert Convert Convert

Convert

Convert

Hall 1

Hình 0-14 Sơ đồ khối mô phỏng việc giải mã từ cảm biến Hall để xác định EMF

của ba pha A, B và C

1.2 Mô hình của bộ biến đổi điện áp cấp cho BLDC

Bộ biến đổi điện áp cấp cho động cơ BLDC

dựa trên thiết bị MOSFEET hoặc IGBT bao gồm tất

cả các mạch điện cần thiết để điều khiển ba pha

động cơ BLDC Trong cấu trúc này, ba cảm biến

Hall được đặt lệch nhau 1200 điện trên trục động cơ,

để phát hiện vị trí rô to trong động cơ 3 pha Một

động cơ BLDC với bộ biến đổi điện áp được minh

họa ở Hình 0 -15

Bộ biến đổi nhằm tạo ra các điện áp đưa

vào các cuộn dây Stator, các điện áp này

được tạo ra nhở việc đóng mở các van

IGBT/Diodes, MOSFET/Diodes hoặc Thyristor

Để đóng mở các van này ta cần bộ giải mã từ EMF

của ba pha A B C để xác định quy luật

mở các van bán dẫn này

Hình 0 -16 là mô hình bộ biến đổi điện áp cấp cho ba pha của BLDC, trong

đó có đầu vào là điện áp DC, độ lớn của điện áp này quyết định đến biên độ của các điện áp ba pha đưa ra là A, B và C Chân g là chân nhận tín hiệu giải mã từ EMF A B

C để xác định quy luật đóng mở van Bộ biến đổi sử dụng 06 van, do đó quy luật đóng mở theo bảng sau:

BLDC dùng Matlab/Simulink

Bảng 0-2 Bảng xác định quy luật đóng mở các van từ tín hiệu EMF của các pha A,

B, C, với ký hiệu “O” là van đóng và “1” là van mở

B

EMF C

Hình 0-17 Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến

AC7 - Sensorless Brushless DC Motor Drive During Speed Regulation

The 'Ts' parameter used in this model

is set to 2e-6 by the Model Properties Callbacks (double-click to open) (double-click to open)

* The library li nk of this block is intentionally broken

See also 'ac7_sensorless_simplified.mdl' for average-value model

Discrete,

Ts = 5e-06 s.

pow ergui

motor Conv.

Ctrl

i_a speed Tem v_dc demux

Conv Ctrl A

B C

BLDC Tm

Wm BLDC

Dong stator Toc do stator

Mo men dien tu Dien ap tren DC bus

Trang 12

(trapezoi dal back-EMF)

Bo chinh luu

4

3 Ctrl

2 Conv.

1 Motor

3 C

2 B

1 A A B C + -

RT Rate T ransition

gates m g

V_abc Wm_est Sa,Sb,Sc Khoi uoc luong vi tri rotor va toc do quay

I_abc V_abc Ta

Tb

Tc Mta Mtb Mtc

-N N*

Torque*

Ctrl

Torque*

Hall I_abc gates

Bo dieu khien dong PWM

g A B C + -

Bo bien doi dien ap

m

A B C

Tm

BLDC

2

1 SP

<Rotor speed wm (rad/s)>

Hình 0-18 Sơ đồ điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến sử dụng

Matlab/Simulink

Trong động cơ BLDC, vị trí rô to được điều khiển bằng chuyển mạch điện tử

sử dụng các van điện tử để đảm bảo chính xác và rô to quay Trong mỗi góc quay đi

600 thì bộ ước lượng vị trí rotor thay đổi trạng thái của nó giống như cảm biến Hall để biểu diễn một vị trí riêng của rô to

Bảng 0-3 Bảng mô tả tần suất chuyển mạch sáu bước

(độ)

Tín hiệu chuyển mạch ( Hall)

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

Để ước lượng vị trí rotor và tốc độ quay, luận văn sử dụng phương pháp quan sát để xác định các back EMF giữa các dây với nhau: back - EMF ab, back - EMF bc

và back - EMF ca Chính vì vậy được gọi là back – EMF dây (line to line back-EMF)

Từ các EMF này ta sử tính toán ra được tốc độ quay và các tín hiệu chuyển mạch cho các pha A, B, C để đưa tới các van Muốn làm được điều này ta sử dụng back –EMF của động cơ, vì back EMF không đo được trực tiếp cho nên ta dùng phương pháp quan sát từ các dòng điện và điện áp đầu vào động cơ

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

Vì điểm trung tính của BLDC là không có, do vậy rất khó khăn cho việc xây dựng phương trình của một pha, qua đó đầu vào chưa biết của bộ quan sát được giả thiết bởi phương trình dòng điện dây như sau:

Trong phương trình trên, L =L s −M , i ab ab,v là đo được, còn e ab không đo được

và ta coi nó là trạng thái “chưa biết” Phương trình có thể viết dưới dạng ma trận như sau:

( ) ( )

( ) ( )

có thêm một phương trình biểu diễn bất định để mô hình hóa back – EMF dây Mô hình phụ có thể được biểu diễn như sau với bậc của đa thức mô hình nhiễu được coi