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

Tổng quan chung Động cơ một chiều ĐCMC thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích hợp với các truyền động servo.Tuy nhiên hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng

1 Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than

1.1 Tổng quan chung

Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của

chúng thích hợp với các truyền động servo.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 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.Những động cơ này được biết đến như là động cơ không 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 ĐCMC thông thường

Mặc dù ĐCMC và BLDC có đặc tính tĩnh giống nhau nhưng giữa chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh,như sự đổi chiều và dây quấn.Ở ĐCMC thông thường sự đổi chiều được thực hiện bởi cổ góp cà chổi than.Ngược lại ở động cơ BLDC đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor,MOSFET,IGBT,GTO,……

Bảng 1.1 So sánh ĐCMC không chổi than với ĐCMC thông thường

Nội dung ĐCMC thông thường Động cơ BLDC

Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên

stator

Mạch kích từ nằm trên rotor

Tính năng đặc

biệt

Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển

Đáp ứng chậm hơn.(dễ bảo dưỡng hoặc không yêu cầu bảo dưỡng)

Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn,đơn giản

nhất là nối ∆

Cao cấp:Ba pha nối Y hoặc ∆.Bình thường:dây quấn ba pha nối Y và có điểm trung tính nối đất nối 4 pha.Đơn giản nhất:nối 2 pha

Phương pháp

đổi chiều

Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp

Chuyển mạch điện tử dùng IGBT,Transistor,GTO,MOSFET… Phương pháp Tự động xác định bằng Sử dụng cảm biến vị trí:phần tử

xác định vị trí

rotor

chổi than Hall,cảm biến quang học

Phương pháp

đảo chiều

Đảo chiều điện áp nguồn(cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ)

Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic

1.2.Cấu tạo của động cơ BLDC.

Cấu tạo của động cơ BLDC rất giống với động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

Dây quấn stator tương tự dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu.Điểm khác biệt ở đây là cách xác định vị trí rotor (hay vị trí cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ

chuyển mạch điện tử như hình 1.2.Từ hình 1.2 ta thấy rằng động cơ BLDC chính là

sự kết hợp của động cơ xoay chiều đông bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor

Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí là phần tử Hall,tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học.Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ bap ha,động cơ BLDC 2 pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.Về mặt cấu tạo thì động cơ BLDC có 3 phần chính:stator,rotor và bộ phận đổi chiều,ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác định vị trí rotor,bộ mã hóa so

lệch(encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ

Stator :

Khác với ĐCMC thông thường,stator của động cơ BLDC chứa dây quấn phần ứng.Dây quấn phần ứng có thể là 2 pha,3 pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn 3 pha.Dây quấn 3 pha có 2 sơ đồ nối dây,đó là nối theo hình Y hoặc ∆

Stator được cấu tạo từ các lá thép kĩ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator và được nối theo hình Y hoặc

∆ Mỗi một cuộn dây được tạo thành bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau.Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nồi liền với nhau để tạo thành 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 cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động ĐCMCKCT 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 ĐCMCKCT hình sin và ĐCMCKCT 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 phản điện động

là lớn hơn

Hinh 1.1 Sức điện động ĐCMCKCT dạng hình thang

Hình 1.2 Sức điện động ĐCMCKCT nam châm vĩnh cửu 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

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

Rotor được cấu tạo từ các nam 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 1.3 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

Các cảm biến Hall

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 tử 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

Bộ phận đổi chiều điện tử (Electronic commutator)

Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor Do trong cấu trúc của động cơ một chiều không chổi than cần có cảm biến vị trí rotor.Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn

phần ứng khi rotor quay giống như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường

2 Mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than

2.1 Mô hình toán học

Hình 2.1: Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT

Từ mô hình mạch điện của động cơ suy ra phương trình điện áp của một pha:

Va = Ra.i +Ladi

dt + ea

Vb = Rb.i +Lbdi

dt + eb

Vc = Rc.i +Lcdi

dt + ec

Đặt s là toán tử laplace khi đó di/dt=i.s

Phương trình điện áp của ba pha:

[V a

V b

V c] = [R a 0 0

0 R b 0

0 0 R c].[i a

i b

i c] +s.[ L a L ba L ca

L ab L b L cb

L ac L bc L c].[i a

i b

i c] + [e a

e b

e c]

Trong đó, La, Lb, Lc là điện cảm của các cuộn dây động cơ Lab, Lbc, Lca là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng Ra, Rb, Rc là điện trở của cuộn dây stator động cơ

Do các pha là đối xứng nên các giá trị điện trở, điện cảm, hỗ cảm của ba cuộn dây

là bằng nhau Khi đó:

Ra = Rb = Rc = R

La= Lb= Lc= L

Lab= Lca= Lcb= M

Ta có:

s.[i a

i b

i c] == [1/Ls0 1/ Ls0 00

0 0 1/ Ls] [V a

V b

V c] - [R 0 0 0 R 0

0 0 R]

i a

i b

i c

- [e a

e b

e c]

2.2.Mômen điện từ

Với ω là tốc độ của động cơ, công suất cơ được tính theo biểu thức:

Pc = M.ω

Công suất điện được tính theo biểu thức:

Pđ= ea.ia+ eb.ib+ ec.ic

Cân bằng công suất ở hai biểu thức trên:

M.ω = ea.ia+ eb.ib+ ec.ic

⇒ M = ω1 .(ea.ia+ eb.ib+ ec.ic)

2.3 Phương trình động học của ĐCMCKCT

Momen quán tính : Jm

Momen ma sát : Mf

Ma sát thường tỷ lệ với tốc độ và được biểu hiện thông qua hệ số nhớt D theo biểu thức: Mf = D.ωm

Momen tải của động cơ : Mc

Momen quán tính của tải : Jc

Như vậy, phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng như sau:

M= (Jm+Jc)dω dt + D.ω + Mc

3 Xây dựng cấu trúc hệ truyền động và mô phỏng

3.1 Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than

ĐCMCKCT có 3 cuộn dây stator và rotor được làm bằng nam châm vĩnh cửu Nếu thực hiện việc thiết kế bộ điều khiển cho động cơ trong mối quan hệ điện - từ

- cơ giữa các pha của stator, giữa stator với rotor… thì khối lượng công việc sẽ rất lớn thậm chí là không thể nếu thực hiện tính toán bằng tay Vì vậy việc xây dựng

mô hình động cơ thường được làm đơn giản hóa bằng cách đưa về phân tích mô hình tương đương 1 pha của động cơ Đây cũng là bước cơ sở để đem lại mô hình của bộ điều khiển Các thông số của bộ điều khiển có thể sẽ được hiệu chỉnh lại sau khi tiến hành ghép nối với toàn bộ hệ thống

Mạch tương đương 1 pha ĐCMCKCT

Mô hình không gian trạng thái của động cơ một chiều:

Phương trình cân bằng điện áp phần ứng

V=R s.i + Ldi dt + E = R s.i + Ldi dt+K e.ω m (3.1)

Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là không đổi nên momen điện từ M sẽ tỷ

lệ với dòng điện: M=Kt.i (3.2)

Bỏ qua thành phần hệ số nhớt do rất nhỏ, sẽ có:

M=( J m+J c).d ω m

dt +M c (3.3) Chuyển (3.1) sang dạng toán tử laplace ta có:

V=R.I + L.s.I + K e.ω m

Suy ra I = V −K e ω m

R+L s (3.4) Kết hợp 2 phương trình (3.2) và (3.3) ta có:

M -M c= ( J m+J c).s.ω m= Kt.I - M c

Suy ra ω m = Kt I−M c

(J m+J c) s (3.5)

Từ (3-4), (3-5) suy ra mô hình động cơ một chiều không chổi than như sau:

Mô hình tương đương 1 pha ĐCMCKCT

3.2 Tổng hợp các bộ điều chỉnh của ĐCMCKCT

Các tham số của động cơ :

-Số đôi cực p=2.chon P=1 kW=1000W

-R s = 2.875 Ω ,L = 8.5 mH , Ѱ f = 0.175 Wb

-K e = 0.5128 V/(rad/s) , K t = 0.049 N.m/A

-J = 0.0008 kg.m2

-n đm = 3000 rpm

-M đm = 11 N.m

-V DC = 50 V

3.3 Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha ĐCMCKCT

Khi điều khiển động cơ bất kỳ, tham số cần quan tâm đầu tiên là dòng điện và tốc độ.Điều khiển tốc độ để đảm bảo tốc độ thực của động cơ luôn phải bám theo một lượng đặt cho trước Điều khiển dòng điện của động cơ cũng chính là điều khiển momen, đảm bảo động cơ luôn cấp một lượng momen ứng với yêu cầu của tải Tuy nhiên, sự phù hợp giữa momen và tốc độ phải tuân theo đường đặc tính cơ của động cơ Sơ đồ hệ thống điều khiển một pha của ĐCMCKCT được trình bày trong hình 3.3 sau:

Trong mô hình trên, hai bộ điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh dòng điện tương ứng là Rω và Ri Bộ biến đổi ở đây là bộ chuyển mạch dùng 6 van MOSFET mắc theo kiểu nghịch lưu nguồn áp Các phần tử đo gồm đo tốc độ sử dụng phát tốc hoặc Encoder và đo dòng điện sử dụng điện trở shunt hoặc máy biến dòng

3.4 Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển 3.4.1 Khối bộ biến đổi

Hàm truyền của bộ biến đổi có dạng:

W bđ = K bđ

(1+s T đk).(1+ s T v 0)

Tdk và Tvo lần lượt là các hằng số thời gian mạch điều khiển và hằng số thời gian chuyển mạch nghịch lưu của van bán dẫn

K bđ = U DCmax

U đkmax = 50/210 = ¿ 2,5

Do tốc độ lớn nhất của động cơ là ω = 1,78.ωđm = 1,78.3000.2π/60 = 560 rad/s nên tần số lớn nhất của động cơ

là fmax = 560 /(2π) = 89 Hz Nếu dùng phương pháp điều khiển PWM thì tần số PWM phải lớn hơn 10 lần tần số lớn nhất của động cơ, như vậy tần số chuyển mạch tối thiểu của một pha dùng PWM sẽ 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)

Chọn Tđk = 0,00037

Chọn thời gian Tvo = 0,0001(s)

Như vậy, bộ biến đổi được biểu diễn bởi hàm truyền:

W bđ = (1+ s 0,00037 ).(1+ s 0,0001)2.5

W bđ =(1+s T K bđ

đk).(1+ s T v 0) =s2 K bđ

T đk. T v 0+s (T đk+T v 0)+1

Ta có thành phần Tdk và Tv0 nhỏ nên thành phần Tđk.Tv0 là rất bé nên có thể bỏ qua thành phần này Khi đó ta có thể bỏ thành phần vi phân bậc cao ở mẫu số.Do đó, hàm truyền của bộ biến đổi sẽ là:Tbđ=Tđk+Tv0=0.00037+0.0001=0.00047

W bđ = s 0,00047+12,5

3.4.2.Khâu đo dòng điện-phản hồi dòng:

Bộ đo dòng điện có thể được chọn là một khâu trễ với dạng hàm truyền như sau:

W i = K i

s T i+ 1

Để tránh bão hòa bộ điều khiển, cần phải tính toán với các thông số lớn nhất Trong trường hợp này, cần phải tính với dòng điện lớn nhất của động cơ là 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 hằng số thời gian Ti=0.0001 (s)

Do đó hàm truyền bộ phản hồi dòng điện:

W i = 0,0001 s+10,88

3.4.3.Khâu đo tốc độ-phản hồi tốc độ:

W ω= K ω

s T ω+1

có K ω=U rađm/ω max=10/560= 0,0179

Chọn hằng số thời gian khâu phản hồi tốc độ: T ω= 0,001 (s)

Như vậy, hàm truyền bộ phản hồi tốc độ sẽ là:

W ω= s 0,001+10,0179

3.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Ta có đối với động cơ lớn thì momen quán tính của động cơ là khá lớn và hệ

số nhớt B của trục động cơ là bé so với J nên ta có thể coi giá trị sức điện động

chưa kịp thay đổi trong khoảng thời gian mà dòng điện đã đáp ứng Ta có hằng số

thời gian điện từ là:

T ư = L/R s = 0,0085/2,875=0,003(s)

Do động cơ công suất lớn nên ta có thể bỏ qua sự thay đổi của sức phản điện động E trong thời gian ngắn khi đó ta có thể đơn giản mạch vòng điều khiển dòng điện như sau:

Ta có hàm truyền của đối tượng là:

W đt = K bđ K i 1/ R ư

(1+ s Tbđ)(1+ s Tư)(1+s T i)

Hằng số thời gian Tư lớn hơn nhiều lần so với Tbđ và Ti nên ta có thể xấp xỉ hai thành phần hằng số thời gian Tbđ và Ti lại với nhau, ta được:

T s = T đk+ T v 0+ T i = 0,00037+0,0001+0,0001=0,00057 (s)

Khi đó ta có hàm truyền đối tượng là:

W đt = (1+s TK bđ K i 1/ R ư

ư)(1+s Ts)

Khi đó áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul cho đối tượng trên ta có bộ điều chỉnh dòng điện là khối PI

Bộ điều chỉnh dòng sẽ có dạng:

Ri = 1+T s K T s

Trong đó:

K = 2 K bd K i .T s

R ư T ư và T = Tư

Thay số vào ta có:

Ri = 1+T ư

K T ư s = 1+ ¿

Khi đó hàm chuẩn của tiêu chuẩn tối ưu module có dạng là:

Fk = 2T 1

s

2

s2+2 Ts s +1

3.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ