NGHIÊN CỨU động cơ ĐIỆN một chiều không chổi than BLDC(Brushless DC Motor)

1 Tổng quan động điện chiều không chổi than 1.1 Tổng quan chung Động chiều (ĐCMC) thơng thường có hiệu suất cao đặc tính chúng thích hợp với truyền động servo.Tuy nhiên hạn chế cấu tạo chúng cần có cổ góp chổi than,những thứ dễ bị mòn u cầu bảo trì thường xun.Để khắc phục nhược điểm người ta chế tạo loại động không cần bảo dưỡng cách thay chức cổ góp chổi than chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn.Những động biết đến động không đồng kích thích nam châm vĩnh cửu hay gọi động chiều không chổi than BLDC(Brushless DC Motor).Do khơng có cổ góp chổi than nên động khắc phục hầu hết nhược điểm ĐCMC thơng thường Mặc dù ĐCMC BLDC có đặc tính tĩnh giống chúng có khác biệt đáng kể vài khía cạnh,như đổi chiều dây quấn.Ở ĐCMC thông thường đổi chiều thực cổ góp cà chổi than.Ngược lại động BLDC đổi chiều thực cách sử dụng thiết bị bán dẫn transitor,MOSFET,IGBT,GTO,…… Bảng 1.1 So sánh ĐCMC không chổi than với ĐCMC thông thường Nội dung ĐCMC thông thường Cấu trúc khí Mạch kích từ nằm stator Tính đặc biệt Sơ đồ nối dây Phương pháp đổi chiều Động BLDC Mạch kích từ nằm rotor Đáp ứng nhanh dễ điều khiển Nối vòng tròn,đơn giản nối ∆ Đáp ứng chậm hơn.(dễ bảo dưỡng không yêu cầu bảo dưỡng) Cao cấp:Ba pha nối Y ∆.Bình thường:dây quấn ba pha nối Y có điểm trung tính nối đất nối pha.Đơn giản nhất:nối pha Tiếp xúc khí chổi Chuyển mạch điện tử dùng than cổ góp IGBT,Transistor,GTO,MOSFET… Phương pháp xác định vị trí rotor Phương pháp đảo chiều Tự động xác định chổi than Sử dụng cảm biến vị trí:phần tử Hall,cảm biến quang học Đảo chiều điện áp nguồn(cấp cho phần ứng mạch kích từ) Sắp xếp lại thứ tự tín hiệu logic 1.2.Cấu tạo động BLDC Cấu tạo động BLDC giống với động xoay chiều đồng kích thích nam châm vĩnh cửu Dây quấn stator tương tự dây quấn stator động xoay chiều nhiều pha rotor bao gồm hay nhiều nam châm vĩnh cửu.Điểm khác biệt cách xác định vị trí rotor (hay vị trí cực từ) nhằm tạo tín hiệu điều khiển chuyển mạch điện tử hình 1.2.Từ hình 1.2 ta thấy động BLDC kết hợp động xoay chiều đơng kích thích vĩnh cửu đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor Việc xác định vị trí rotor thực thơng qua cảm biến vị trí phần tử Hall,tuy nhiên có số động sử dụng cảm biến quang học.Mặc dù hầu hết động thống có suất cao động bap ha,động BLDC pha sử dụng phổ biến cấu tạo mạch truyền động đơn giản.Về mặt cấu tạo động BLDC có phần chính:stator,rotor phận đổi chiều,ngồi có cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor,bộ mã hóa so lệch(encoder) để đo tốc độ rotor động Stator : Khác với ĐCMC thông thường,stator động BLDC chứa dây quấn phần ứng.Dây quấn phần ứng pha,3 pha hay nhiều pha thường dây quấn pha.Dây quấn pha có sơ đồ nối dây,đó nối theo hình Y ∆ Stator cấu tạo từ thép kĩ thuật điện với cuộn dây đặt khe cắt xung quanh chu vi phía stator nối theo hình Y ∆ Mỗi cuộn dây tạo thành số lượng bối dây nối liền với nhau.Các bối dây đặt khe chúng nồi liền với để tạo thành cuộn dây.Mỗi cuộn dây phân bố chu vi stator theo trình tự thích hợp để tạo nên số chẵn cực Cách bố trí số rãnh stator động khác cho số cực động khác Sự khác cách nối liền bối dây cuộn dây stator tạo nên khác hình dáng sức phản điện động ĐCMCKCT có dạng sức phản điện động dạng hình sin dạng hình thang Cũng khác mà tên gọi động khác nhau, ĐCMCKCT hình sin ĐCMCKCT hình thang Dòng điện pha động tương ứng có dạng hình sin hình thang Điều làm cho momen động hình sin phẳng đắt phải có thêm bối dây mắc liên tục Còn động hình thang rẻ đặc tính momen lại nhấp nhơ thay đổi điện áp sức phản điện động lớn Hinh 1.1 Sức điện động ĐCMCKCT dạng hình thang Hình 1.2 Sức điện động ĐCMCKCT nam châm vĩnh cửu Động chiều khơng chổi than thường có cấu hình pha, pha pha.Tương ứng với loại stator có số cuộn dây 1, Phụ thuộc vào khả cấp cơng suất điều khiển, chọn động theo tỷ lệ điện áp.Động nhỏ 48V dùng máy tự động, robot,các chuyển động nhỏ… Các động 100V dùng thiết bị cơng nghiệp, tự động hóa ứng dụng công nghiệp Rotor: Được gắn vào trục động bề mặt rotor có dán nam châm vĩnh cửu.Ở động yêu cầu quán tính rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục động có dạng hình trụ rỗng Rotor cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động từ đến với cực Nam (S) Bắc (N) xếp xen kẽ nhau.Dựa vào yêu cầu mật độ từ trường rotor,chất liệu nam châm thích hợp chọn tương ứng.Nam châm Ferrite thường sử dụng.Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày phổ biến Nam châm Ferrite rẻ mật độ thông lượng đơn vị thể tích lại thấp Trong đó, vật liệu hợp kim có mật độ từ đơn vị thể tích cao cho phép thu nhỏ kích thước rotor đạt momen tương tự Do đó, với thể tích, momen rotor có nam châm hợp kim ln lớn rotor nam châm Ferrite Hình 1.3 Các dạng Rotor động chiều không chổi than Các cảm biến Hall Không giống động chiều dùng chổi than, chuyển mạch động chiều không chổi than điều khiển điện tử Tức cuộn dây stator cấp điện nhờ chuyển mạch van bán dẫn công suất Để động làm việc, cuộn dây stator cấp điện theo thứ tự Tức thời điểm khơng ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây mà phụ thuộc vào vị trí rotor động đâu để cấp điện cho Vì điều quan trọng cần phải biết vị trí rotor để tiến tới biết cuộn dây stator cấp điện theo thứ tự cấp điện Vị trí rotor đo cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall đặt ẩn stator Bộ phận đổi chiều điện tử (Electronic commutator) Ở động chiều không chổi than dây quấn phần ứng bố trí stator đứng yên nên phận đổi chiều dễ dàng thay đổi chiều điện tử sử dụng transistor cơng suất chuyển mạch theo vị trí rotor Do cấu trúc động chiều khơng chổi than cần có cảm biến vị trí rotor.Khi đổi chiều điện tử đảm bảo thay đổi chiều dòng điện dây quấn phần ứng rotor quay giống vành góp chổi than động chiều thông thường Mơ hình tốn học động chiều khơng chổi than 2.1 Mơ hình tốn học Hình 2.1: Mơ hình mạch điện ĐCMCKCT Từ mơ hình mạch điện động suy phương trình điện áp pha: Va = Ra.i +La + ea Vb = Rb.i +Lb + eb Vc = Rc.i +Lc + ec Đặt s tốn tử laplace di/dt=i.s Phương trình điện áp ba pha: = +s + Trong đó, La, Lb, Lc điện cảm cuộn dây động Lab, Lbc, Lca hỗ cảm cuộn dây tương ứng Ra, Rb, Rc điện trở cuộn dây stator động Do pha đối xứng nên giá trị điện trở, điện cảm, hỗ cảm ba cuộn dây Khi đó: Ra = Rb = Rc = R La= Lb= Lc= L Lab= Lca= Lcb= M Ta có: s == - 2.2.Mơmen điện từ Với ω tốc độ động cơ, công suất tính theo biểu thức: Pc = M.ω Cơng suất điện tính theo biểu thức: Pđ= ea.ia+ eb.ib+ ec.ic Cân công suất hai biểu thức trên: M.ω = ea.ia+ eb.ib+ ec.ic M = (ea.ia+ eb.ib+ ec.ic) 2.3 Phương trình động học ĐCMCKCT Momen qn tính : Jm Momen ma sát : Mf Ma sát thường tỷ lệ với tốc độ biểu thông qua hệ số nhớt D theo biểu thức: Mf = D.m Momen tải động : Mc Momen quán tính tải : Jc Như vậy, phương trình động học tổng quát động có dạng sau: M= (Jm+Jc)+ D + Mc Xây dựng cấu trúc hệ truyền động mơ 3.1 Mơ hình pha động chiều không chổi than ĐCMCKCT có cuộn dây stator rotor làm nam châm vĩnh cửu Nếu thực việc thiết kế điều khiển cho động mối quan hệ điện - từ - pha stator, stator với rotor… khối lượng cơng việc lớn chí khơng thể thực tính tốn tay Vì việc xây dựng mơ hình động thường làm đơn giản hóa cách đưa phân tích mơ hình tương đương pha động Đây bước sở để đem lại mơ hình điều khiển Các thơng số điều khiển hiệu chỉnh lại sau tiến hành ghép nối với toàn hệ thống Mạch tương đương pha ĐCMCKCT Mơ hình khơng gian trạng thái động chiều: Phương trình cân điện áp phần ứng V=.i + L + E = i + L+ (3.1) Do từ trường nam châm vĩnh cửu không đổi nên momen điện từ M tỷ lệ với dòng điện: M=Kt.i (3.2) Bỏ qua thành phần hệ số nhớt nhỏ, có: M=( +) + (3.3) Chuyển (3.1) sang dạng tốn tử laplace ta có: V=R.I + L.s.I + Suy I= (3.4) Kết hợp phương trình (3.2) (3.3) ta có: M - = ( +).s.= Kt.I - Suy = (3.5) Từ (3-4), (3-5) suy mơ hình động chiều khơng chổi than sau: Mơ hình tương đương pha ĐCMCKCT 3.2 Tổng hợp điều chỉnh ĐCMCKCT Các tham số động : -Số đôi cực p=2.chon P=1 kW=1000W - = 2.875 Ω ,L = 8.5 mH , = 0.175 Wb - = 0.5128 V/(rad/s) , = 0.049 N.m/A -J = 0.0008 kg - = 3000 rpm - = 11 N.m - = 50 V 3.3 Mơ hình hệ thống điều khiển pha ĐCMCKCT Khi điều khiển động bất kỳ, tham số cần quan tâm dòng điện tốc độ.Điều khiển tốc độ để đảm bảo tốc độ thực động phải bám theo lượng đặt cho trước Điều khiển dòng điện động điều khiển momen, đảm bảo động cấp lượng momen ứng với yêu cầu tải Tuy nhiên, phù hợp momen tốc độ phải tuân theo đường đặc tính động Sơ đồ hệ thống điều khiển pha ĐCMCKCT trình bày hình 3.3 sau: 10 Trong mơ hình trên, hai điều chỉnh tốc độ điều chỉnh dòng điện tương ứng R Ri Bộ biến đổi chuyển mạch dùng van MOSFET mắc theo kiểu nghịch lưu nguồn áp Các phần tử đo gồm đo tốc độ sử dụng phát tốc Encoder đo dòng điện sử dụng điện trở shunt máy biến dòng 3.4 Hàm truyền đạt khối chức mơ hình hệ điều khiển 3.4.1 Khối biến đổi Hàm truyền biến đổi có dạng: = Tdk Tvo số thời gian mạch điều khiển số thời gian chuyển mạch nghịch lưu van bán dẫn = = 2,5 Do tốc độ lớn động = 1,78.đm = 1,78.3000.2/60 = 560 rad/s nên tần số lớn động fmax = 560 /(2) = 89 Hz Nếu dùng phương pháp điều khiển PWM tần số PWM phải lớn 10 lần tần số lớn động cơ, tần số chuyển mạch tối thiểu pha dùng PWM là: 3.89.10 = 2670 Hz Do đó, thời gian điều khiển Tdk cần phải tuân theo biểu thức: Tdk ≤ 1/2670 = 0,00037 (s) 11 Chọn Tđk = 0,00037 Chọn thời gian Tvo = 0,0001(s) Như vậy, biến đổi biểu diễn hàm truyền: = = = Ta có thành phần Tdk Tv0 nhỏ nên thành phần Tđk.Tv0 bé nên bỏ qua thành phần Khi ta bỏ thành phần vi phân bậc cao mẫu số.Do đó, hàm truyền biến đổi là: Tbđ=Tđk+Tv0=0.00037+0.0001=0.00047 = 3.4.2.Khâu đo dòng điện-phản hồi dòng: Bộ đo dòng điện chọn khâu trễ với dạng hàm truyền sau: = Để tránh bão hòa điều khiển, cần phải tính tốn với thông số lớn Trong trường hợp này, cần phải tính với dòng điện lớn động dòng lúc mở máy: Idm=P/Udm=1000/220=4.54A Ikhởiđộng=2.5Idm=11.36A Ki=Urađm/Ikđ=10/11.36=0.88 Chọn số thời gian Ti=0.0001 (s) Do hàm truyền phản hồi dòng điện: = 3.4.3.Khâu đo tốc độ-phản hồi tốc độ: = 12 có =/=10/560= 0,0179 Chọn số thời gian khâu phản hồi tốc độ: = 0,001 (s) Như vậy, hàm truyền phản hồi tốc độ là: = 3.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Ta có động lớn momen qn tính động lớn hệ số nhớt B trục động bé so với J nên ta coi giá trị sức điện động chưa kịp thay đổi khoảng thời gian mà dòng điện đáp ứng Ta có số thời gian điện từ là: = L/ = 0,0085/2,875=0,003(s) Do động cơng suất lớn nên ta bỏ qua thay đổi sức phản điện động E thời gian ngắn ta đơn giản mạch vòng điều khiển dòng điện sau: Ta có hàm truyền đối tượng là: = Hằng số thời gian Tư lớn nhiều lần so với Tbđ Ti nên ta xấp xỉ hai thành phần số thời gian Tbđ Ti lại với nhau, ta được: = + + = 0,00037+0,0001+0,0001=0,00057 (s) Khi ta có hàm truyền đối tượng là: = Khi áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul cho đối tượng ta có điều chỉnh dòng điện khối PI Bộ điều chỉnh dòng có dạng: Ri = Trong đó: K = T = Tư 13 Thay số vào ta có: Ri = = Khi hàm chuẩn tiêu chuẩn tối ưu module có dạng là: Fk = 3.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 14