Nghiên cứu ổn định tốc độ và giảm dao động mô men cho động cơ BLDC bằng phương pháp nghịch lưu nguồn áp

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ổn định tốc độ động cơ BLDC nói chung bằng phương pháp nghịch lưu nguồn áp sử dụng bộ nghịch lưu cầu IGBT. Tín hiệu từ các cảm biến Hall gắn trong rotor động cơ được sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển cho mạch nghịch lưu.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ VÀ GIẢM DAO ĐỘNG MÔ MEN CHO ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP Nguyễn Thị Thùy Dương, Đỗ Quang Huy, Đoàn Văn Điện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 15/03/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10/05/2017 Ngày báo duyệt đăng: 30/05/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu ổn định tốc độ động BLDC nói chung phương pháp nghịch lưu nguồn áp sử dụng nghịch lưu cầu IGBT Tín hiệu từ cảm biến Hall gắn rotor động sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển cho mạch nghịch lưu Đầu nghịch lưu nối tới cuộn dây stator động Sức điện động động điều khiển thơng qua việc điều khiển chế độ đóng cắt cầu nghịch lưu Tốc độ động ổn định thông qua việc tự động điều chỉnh điện áp nguồn cấp Từ khóa: nghịch lưu nguồn áp, điều khiển động BLDC GIỚI THIỆU Động chiều không chổi than-BLDC (Brushless Direct Current) dạng động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu dùng dòng điện chiều cấp cho dây quấn phần ứng stator [1], [2] Động chiều khơng chổi than BLDC có ưu điểm tỷ lệ mơ men/qn tính lớn, tỷ lệ cơng suất khối lượng cao… nên ứng dụng rộng rãi [3] Với nhu cầu tìm hiểu kỹ thuật điều khiển, ứng dụng thực tế đáp ứng công việc nghiên cứu giảng dạy, học tập giảng viên sinh viên ngành điện điện tử, nhóm nghiên cứu xây dựng mô ổn định tốc độ giảm dao động mô men cho động BLDC phương pháp nghịch lưu nguồn áp bước sử dụng công cụ Matlab-Simulink [4] PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương trình đặc tính động BLDC a Mơ tả tốn học động BLDC Hình Sơ đồ thay động BLDC 42 Stator động có ba cuộn dây cấp nguồn điện áp ba pha có độ lớn Ua, Ub, Uc Khi cấp nguồn, cuộn dây stator sinh dòng điện, dòng điện sinh từ trường quay quét qua từ trường nam châm rotor Sự tương tác hai từ trường stator rotor động làm cho rotor động quay làm xuất cuộn dây stator sức phản điện động tương ứng Ea, Eb, Ec Giả sử điện trở điện cảm tương ứng pha Ra, Rb, Rc La, Lb, Lc Như ta có sơ đồ thay Hình Phương trình tổng qt trình bày theo cơng thức (1) RSU VW RSR 0VW RSi VW RSL L L VW RSdi / dtVW RSE VW WW S aW S a ba caW SS a WW S aW SS aWW SS a SSUb WW = SS0 Rb 0WW SSSib WWW + SSSLba Lb Lcb WWW SSdib / dt WW + SSSEb WWW WS W S W S W SS WW SS WS SUc W S0 Rc WW SSic WW SSLca Lcb Lc WW SSdic / dt WW SSEc WW T X T XT XT X T X T X (1) Trong đó: Lba, Lca, Lcb hỗ cảm cuộn dây pha Giả thiết pha hồn tồn đối xứng ta có: Ra = Rb = Rc = R; La = Lb = Lc = L; Lba = Lca = Lcb = M Sau Laplace hóa phương trình (1) giả thiết pha hoàn toàn đối xứng ta phương trình cơng thức (2): RSL M M VW RSi VW RSE VW RSU VW RSR 0VW RSi VW WW SS aWW S W S aW S aW SS aWW SS SSUb WW = SS0 R 0WW SSib WW + s SSSM L M WWW SSSib WWW + SSSEb WWW W S W SS W S W S W SS WW SS SM M L WW SSic WW SSEc WW SUc W S0 RWW SSic WW X T X T X T X T X T X T (2) Theo định luật Kirchhoff: ia + ib + ic = cho nên: M.ib + M.ic = -M.ia Tương tự cho pha khác, thay vào phương trình (2): V R V RSU VW RS SS aWW SSR 0 WWW SSSiaWWW SSUb WW = SS0 R WW SSib WW + W S W SS WW SS SUc W S0 RWW SSic WW X T X T X T Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 RS V R V R V 0 WW SSiaWW SSEaWW SSL - M W S W S W + s SS L-M WW SSib WW + SSEb WW SS W S W S W L - M WW SSic WW SSEc WW S T X T X T X Đặt Ls = L - M sau biến đổi: V R V RSi VW RS1 / L 0 WW SSRSSUaVWW RSSR 0VWWRSSiaVWW RSSEaVWWWW SS aWW SS s W S WS W S WW S W S s SSib WW = SS / Ls WW SSSSUb WW - SS0 R 0WWSSib WW - SSEb WWWW WW SSS W S WS W S WWW SS WW SS Sic W S 0 / LsW SSSUb WW SS0 RWWSSib WW SSEb WWW XT X T XX T X T X TT X T (3) Cơng thức (3) cơng thức mơ tả mơ hình động BLDC b Mơ men điện từ động BLDC Công suất điện cấp cho động cơ: Pđ = Ea.ia + Eb.ib + Ec.ic Công suất sinh đầu trục động cơ: Pc = M.~ Với M mô men điện từ ~ tốc độ động Bỏ qua tổn thất động cơ, ta có phương trình cân bằng: P đ = Pc Do ta có mơ men điện từ động là: E i + Eb ib + Ec .ic (4) M= a a ~ c Phương trình động học động BLDC Phương trình động học tổng quát động d~ (5) có dạng: M = _ Jm + Jc i dt + M f + Mc Trong đó: + M: mô men điện từ động cơ; + Jm: mơ men qn tính động cơ; + Jc: mơ men qn tính tải; + Mf = D.~: mô men ma sát với D hệ số cản; + Mc: mô men tải Đặt J = Jm + Jc Laplace hóa phương trình M - D.~ - Mc (6) (5) ta có: ~ = J.s khơng đáng kể Pđ = Pc nên: E.I suy ra: 2.E.I M = 2.~ (7) ~= M Phương trình cân điện áp: U = 2R.I + 2E (8) Mặt khác: M = Kt.I (9) Thay (8) (9) vào (7) ta thu được: U 2R ~ = K - M (10) t Kt Phương trình (10) gọi phương trình đặc tính động BLDC 2.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu cảm biến Hall Động BLDC thông thường điều khiển nghịch lưu nguồn áp sử dụng IGBT cấp cho pha động cơ, tín hiệu điều khiển cho nghịch lưu phụ thuộc vào cảm biến vị trí rotor [5] Các cảm biến vị trí cảm biến Hall, cảm biến vị trí tuyệt đối gắn rotor Với bước chuyển mạch, khoảng dẫn cho pha 120o góc độ điện tương ứng Chuỗi chuyển mạch pha sau: AB-AC-BCBA-CA-CB Hình Khoảng dẫn pha A d Phương trình đặc tính động BLDC Hình Khoảng dẫn pha B Hình Sơ đồ thay pha động BLDC Do đặc điểm động BLDC với cuộn dây stator mắc hình thời điểm ln có hai pha dẫn, nên công suất điện động là: Pđ=ea.ia + eb.ib + ec.ic Công suất sinh đầu trục: Pc = M.~ Coi tổn thất công suất động Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Hình Khoảng dẫn pha C Mỗi đoạn dẫn gọi bước Vì vậy, thời điểm có pha dẫn, pha thứ không nối với mạch nguồn Để tạo mô men Journal of Science and Technology 43 ISSN 2354-0575 xoắn cực đại, chuyển mạch điện tử công suất cấp nguồn cho pha động phải chuyển mạch liên tục sau 60o dòng pha đồng với sức phản điện động Thời gian chuyển mạch xác định vị trí rotor dò cảm biến Hall ước lượng từ thông số động cơ, nghĩa từ sức phản điện cuộn dây để trống động hoạt động Một hệ thống điều khiển động BLDC đặc trưng với cảm biến vị trí biểu diễn Hình 6: Hình Hệ thống điều khiển động BLDC Phương pháp điều khiển tín hiệu cảm biến Hall dựa nguyên lý hoạt động động BLDC, dùng tín hiệu đưa từ cảm biến vị trí rotor để làm tín hiệu điều khiển khóa điện tử đóng ngắt dịng điện vào cuộn dây tương ứng Giản đồ xung kích dịng điện đóng ngắt tương ứng thể lưu đồ tín hiệu cảm biến Hall dòng điện tương ứng pha Bảng Thứ tự chuyển mạch bước Vị trí rotor (i e) (độ điện) 0-60 60-120 120-180 180-240 240-300 300-360 Trạng thái cảm biến Hall H1 H2 H3 0 1 0 0 1 0 1 Công tắc đóng Q1 Q1 Q3 Q3 Q5 Q5 Hình Trạng thái chuyển mạch khóa đóng cắt 44 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Q4 Q6 Q6 Q2 Q2 Q4 Dòng điện pha A B C + + OFF + OFF OFF + + OFF OFF + OFF + Hình Giản đồ chuyển mạch bước Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 2.3 Sơ đồ mô Sau xây dựng đủ khối chức Simulink, tiến hành mơ với động BLDC có thơng số giả thiết Bảng Đại lượng đặt tốc độ định mức 3000 vòng/ phút tải định mức Mc = Nm, thời điểm đóng tải sau thời gian khởi động 0,1 giây Điện áp cấp biến đổi công suất thông qua nguồn phát chiều điện áp 500V điều chỉnh biên độ Việc điều chỉnh điện áp nguồn phát thực điều khiển PI nhằm ổn định tốc độ cho động thông qua điều chỉnh điện áp phần ứng cho động Việc ổn định mô men cho động thực thông qua việc điều chế sức điện động theo dạng sóng hình thang hình sin biến đổi cơng suất mà đầu vào tạo xung điều khiển tín hiệu cảm biến Hall, sơ đồ mô hệ thống trình bày Hình Bảng Bảng thông số động Công suất kW Điện áp 500 V Dải tốc độ: 3000 vòng/phút Số cực Điện trở/pha (Ω) 2.8750 Ω Điện cảm/pha (H) 8.5e-3 H Mô men quán tính (kg/m ) 2-4 kg/m2 Hằng số điện áp (V_đỉnh 126.95 pha-pha/krpm) Hằng số mô men (Nm/A_ 1.2124 đỉnh) Hình Sơ đồ mơ hệ thống KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.1 Kết mơ điều chế sức phản điện động (Back-EMF) có dạng hình thang Điều chế sức phản điện động sử dụng phổ biến để đề cập đến điện áp xảy động điện có chuyển động tương đối phần ứng động từ trường nam châm cuộn dây động Thơng tin vị trí cảm nhận cảm biến Hall sử dụng để tạo lệnh điều khiển xác cho chuyển đổi cơng suất nhằm đảm bảo điều chỉnh ổn định tốc độ mô men tải động Hình 10 giản đồ tín hiệu cảm biến Hall sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển Mỗi tín hiệu cảm biến Hall có độ rộng 180o điện, xung cách xung khoảng 60o điện Tạo điểm chuyển mạch cho điều khiển Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Hình 10 Giản đồ tín hiệu cảm biến Hall Journal of Science and Technology 45 ISSN 2354-0575 Hình 11 Đáp ứng tốc độ động tải đóng sau 0,1s Hình 15 Đáp ứng dòng điện sức điện động pha A Hình 12 Đáp ứng mơ men động Khi bắt đầu khởi động mô men động tăng nhanh đạt đỉnh giá trị xấp xỉ 28 Nm sau nhanh chóng ổn định đạt đến giá trị đặt Nm Mô men tải tác động thời điểm 0,1 giây, nhìn đồ thị ta thấy điều khiển phản ứng nhanh chóng cách tăng điện áp chiều nguồn cấp để tăng mô men đáp ứng yêu cầu mô men phụ tải Dạng sóng dịng điện stator động có dạng xung hình cưa Hình 15 Do ảnh hưởng nghịch lưu nguồn áp Dòng điện khởi động ban đầu tăng nhanh sau giảm dần theo thời gian khởi động động để đạt tốc độ định mức Khi mô men tải áp dụng dịng điện stator tăng để trì tốc độ định mức Mơ men động có dạng sóng cưa 3.2 Kết mơ điều chế sức phản điện động (Back-EMF) có dạng hình sin Các hình vẽ 16, 17 miêu tả đáp ứng tốc độ mô men động So với Hình 13 Điện áp chiều đặt vào biến đổi cơng suất Hình 14 Điện áp dây Uab động 46 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Hình 16 Đáp ứng tốc độ động Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình 17 Đáp ứng mơ men Hình 18 Điện áp nguồn chiều đặt vào biến đổi công suất Hình 19 Điện áp dây đặt vào động Hình 20 Đáp ứng dịng điện pha ia, ib, ic sức điện động pha A Nhận xét: Sức điện động đặt vào dây quấn động có dạng gần với hình sin, biên độ dao động mơ men nhỏ so với trường hợp trước đó, tốc độ động trì xung quanh giá trị đặt Dòng điện cung cấp cho động tăng cao nhằm trì mơ men khơng đổi Tốc độ động có tải đóng vào bị dao động xung quanh giá trị đặt, nhiên bám tốt vào giá trị đặt Dòng điện sức phản điện động động có dạng hình thang hình sin, với lý thuyết động chiều khơng chổi than Đặc tính dịng điện mô men bị đập mạch lớn Tuy nhiên, dạng đặc tính bám vào giá trị đặt chấp nhận KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu cho thấy phương pháp nghịch lưu nguồn áp có hiệu phù hợp cho loại tải biến đổi động điện chiều không chổi than Với loại động việc tính chọn mạch cầu IGBT thích hợp nhằm nâng cao việc điều khiển tốc độ điều khiển mô men cho động vấn đề quan trọng Bên cạnh kết đạt được, nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm hiểu triển khai thiết kế chế tạo mạch điều khiển chuyển mạch điện tử công suất sử dụng IGBT cho động có cơng suất lớn Những nghiên cứu phát triển điều khiển tốc độ mô men cho động BLDC thành công nhiều xu hướng giải sáng kiến xanh nhằm tiết kiệm tài nguyên quý không ảnh hưởng bất lợi đến sống Tài liệu tham khảo [1] A Kusko and S.M Peeran, Definition of Brushlees Permanent Magnet Motor, inConf., Rec., IEEE-IASAnnual Meeting, (1988), pp 20-22 [2] J P Johnson and M Ehsani, Review of Sensorless Methods for Brussless DC Motor, in Conf., Rec., IEEE-IASAnnual Meeting, (1999), pp.143-150 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 47 ISSN 2354-0575 [3] Lefley, P., L Petkovska, and G Cvetkovski, Optimization of the Design Parameters of an Asymmetric Brushless DC Motor for Cogging Torque Minimization in Power Electronics and Applications, EPE 2011, Proceeding of the 2011-14thEuropean Conference on 2011 [4] N Mohan, W P Robbin, and T Undeland, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 2nd ed New York: Wiley, (1995) [5] Gamazo-Real, José Carlos, Ernesto Vázquez-Sánchez, and Jaime Gómez-Gil, Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends, Sensors (Basel, Switzerland) 10.7 (2010), pp 6901–6947 STUDY ON STABILITY SPEED AND REDUCING ELECTROMAGNETIC TORQUE RIPPLES FOR BLDC MOTOR FED BY VOLTAGE SOURCE INVERTER Abstract: This paper presents the study on stability speed BLDC motors in general by means of the voltage source inverter, the inverter is an IGBT full bridge By taking the signal from the Hall sensors which mounted in the rotor to generate control signals for the inverter The output of the inverter is connected to the stator windings of motor Electromotive force of the motor is controlled via the control switching modes of inverter bridge The motor speed is stable through the automatic voltage regulator power supply Keywords: voltage source inverter, BLDC motor control 48 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ... ~ tốc độ động Bỏ qua tổn thất động cơ, ta có phương trình cân bằng: P đ = Pc Do ta có mơ men điện từ động là: E i + Eb ib + Ec .ic (4) M= a a ~ c Phương trình động học động BLDC Phương trình động. .. biên độ dao động mô men nhỏ so với trường hợp trước đó, tốc độ động trì xung quanh giá trị đặt Dịng điện cung cấp cho động tăng cao nhằm trì mơ men khơng đổi Tốc độ động có tải đóng vào bị dao động. .. hưởng nghịch lưu nguồn áp Dòng điện khởi động ban đầu tăng nhanh sau giảm dần theo thời gian khởi động động để đạt tốc độ định mức Khi mơ men tải áp dụng dịng điện stator tăng để trì tốc độ định