Nghiên cứu và thử nghiệm thiết kế bộ biến tần nguồn áo điều khiển động cơ bldc

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BLDC Brushless DC Motor Động cơ một chiều không chổi than Back EMF Back Electromotive Force Sức phản điện động phần ứng PI Proportional Integral Bộ điều khiển

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Giới thiệu động cơ BLDC

1.1.1 Tổng quan về động cơ BLDC Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor) Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), v.v Như nhiều người vẫn nghĩ

Hình 1.1 Sức phản điện động dạng hình thang

1.1.2 Cấu tao động cơ BLDC

 Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà ta thấy Nếu không quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ, ta có thể bỏ qua sự phức tạp này

Hình 1.2 Stator động cơ BLDC

 Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác

Hình 1.3 Rotor động cơ BLDC

- Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor

Hình 1.4 Minh họa hoạt động Hall sensor

Hình 1.5 Hall sensor gắn trên stator

Hình 1.6 Hình vẽ minh họa cấu tạo BLDC của Microchip

Dạng sóng sức phản điện động pha, dây và tín hiệu đưa về từ Hall sensor:

Hình 1.7 Sức phản điện động pha, dây và tín hiệu Hall sensor

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

Ta có mômen được xác định bằng biểu thức:

Trong đó: e a ,e b ,e c : sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V) i a, i b ,i c : dòng điện các pha A, B, C (A) ω m : vận tốc góc của trục Rotor (rad/s) Để đạt được 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 được điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 120 0 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

Hình 1.8 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện

Hình 1.9 Mô hình phần tử cảm biến Hall

U r = (K h IB) /d 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 60 0 hoặc 120 0 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

Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng cắt các khóa mạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor đưa về

Sơ đồ nguyên lý mạch lực và động cơ như sau:

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý mạch lực

Hình 1.12 Đặc tính cơ moment – tốc độ của động cơ BLDC

1.1.4 Ƣu nhƣợc điểm động cơ BLDC Ưu điểm : Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than 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 rotor

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 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

 Vận hành ở tốc độ cao

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

Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhưng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giá thành nam châm có thể giảm Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor Điều này làm tăng giá thành đẩu tư khi sử dụng động cơ BLDC Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và mômen động cơ dễ dàng, chính xác hơn

Cơ sở biến tần

1.2.1 Tổng quan về máy biến tần

Biến tần: là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

Hình 1.13 Tổng quan về biến tần

 Mạch chỉnh lưu: chuyển đổi AC thành DC Sử dụng bộ phận bán dẫn được biết đến với tên gọi đi ốt

 Tụ điện nắn phẳng: Hoạt động đẻ nắn phẳng điện áp DC đã được chuyển đổi qua mạch chỉnh lưu

 Mạch nghịch lưu: Được sử dụng để xuất ra điện áp AC từ điện áp DC Thiết bị được gọi là bộ nghịch lưu này khác với bộ chỉnh lưu về tên gọi và chức năng Được sử dụng đẻ cấp điện áp/tần số biến thiên được tạo ra cho động cơ Sử dụng các bộ phận đóng cắt bán dẫn (IGBT và bộ phận tương tự) có thể bật và tắt

 Mạch điều khiển: Kiểm soát điều khiển, cài đặt máy biến tần

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diot và tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cos của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

Hình 1.14 Sơ đồ cấu tạo biến tần

 Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp

 Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

 Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA

Là bộ biến tần biến đổi trực tiếp dòng điện xoay chiều từ tần số f1 sang tần số f2 (bộ chỉnh lưu điều khiển pha đảo chiều), không qua bộ chỉnh lưu nên có hiệu suất cao, tuy nhiên việc thay đổi tần số ra phức tạp và phụ thuộc tần số vào f1

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp hình tia 3 pha

- Mạch chỉ dùng van điều chỉnh Thyristor thông thường, qua trình chuyển mạch theo điện áp lưới

- Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên có hiệu suất cao

- Có khả năng làm việc ở tần số thấp ngay cả khi có sự cố

- Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW

- Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển phức tạp

- Hệ số công suất thấp

- Ít thông dụng trong thưc tế

Dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (tần số f=0), lọc rồi được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số f2 qua bộ nghịch lưu Biến tần gián tiếp có 2 loại là biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp Hai loại này được phân biệt dựa vào khâu trung gian một chiều a Biến tần nguồn dòng

Khâu trung gian một chiều là cuộn cảm Lf có chức năng là nguồn dòng cho bộ nghịch lưu

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý mạch biến tần nguồn dòng

- Có khả năng trả năng lượng về lưới

- Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi

- Phù hợp với dải công suất lớn trên 100 kW

- Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ

- Cồng kềnh do cuộn kháng

- Hệ số công suất thấp và phụ thuộc và phụ tải nhất là khi tải nhỏ b Biến tần nguồn áp

Khâu trung gian một chiều là tụ Cf có chức năng làm nguồn áp cho bộ nghịch lưu

Hình 1.17 Sơ đồ mạch nguyên lý biến tần nguồn áp ba pha

- Phù hợp với tải công suất nhỏ, dưới 300 kW

- Hệ số công suất của mạch lớn

- Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện do tải quy định

- Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, khử đập mạch mô men

Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng lượng về lưới cần mắc thêm mạch rất phức tạp

1.2.4 Các phương pháp điều khiển máy biến tần

Máy biến tần đa năng duy nhất được dùng trong các lĩnh vực công nghiệp vào những năm 1980 là dạng máy biến tần điều khiển V/F Sau này, các phương pháp điều khiển Vector không cảm biến (tốc độ) được giới thiệu vào năm 1990 với mục đích tăng mô men xoắn trong phạm vi điều khiển tần số thấp hiệu quả hơn điều khiển V/F Công suất máy biến tần tăng lên đột ngột do các cải tiến và công nghệ phần cứng và công nghệ lý thuyết điều khiền bao gồm các chất bán dẫn Kiểm soát Véc tơ bằng phản hồi tốc độ (Encoder) được áp dụng lần đầu đối với các động cơ vào năm 1990 đối với các lĩnh vực cần tối điều khiển tốc độ chính xác cao.Các phương pháp điều khiển máy biến tần điển hình được nêu trong bảng dưới đây, chủ yếu là các phương pháp liên quan tới điều khiển tốc độ Theo nghĩa rộng, hãy nhớ rằng công suất và độ chính xác tăng lên khi bạn chuyển dần sang phía bên phải của bảng biểu ở dưới phương pháp điều khiển, tuy nhiên sự linh hoạt và hiệu quả kinh tế sẽ giảm xuống Đối với phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ dưới đây là một trong các phương pháp được Mitsubisshi Electric phát triển

Phương pháp điều khiển Đặc tính V/F Điều khiển Vector không dùng cảm biến Điều khiển

Vector dùng cảm biến Điều khiển theo từ thông Điều khiển vector thực

Phạm vi điều khiển tốc độ

1:10 (6Hz đến 60Hz, Điện lưới)

1:120 (0.5Hz đến 60Hz, điện lưới)

1:200 (0.3Hz đến 60Hz, điện lưới)

1500 vòng/phút, điện lới, máy phát) Độ nhạy 10 đến

20(rad/s) 20 đến 30(rad/s) 120 (rad/s) 300 (rad/s) Điều khiển tốc độ Có Có Có Có Điều khiển momen xoắn

Không Không Có Có Điều khiển vị trí Không Không Không Có

Với đa số các dạng phương pháp điều khiển máy biến tần phổ biến, điện áp và tần số được duy trì kiểm soát ở các giá trị không đổi Để giải quyết vấn đề giả momen xoắn ở tốc độ thấp trong điều khiển V/F phương pháp này được sử dụng nhằm điều chỉnh điện áp đầu ra bằng các phép tính vector cho dòng điện động cơ Ở các động cơ không có

Encoder, hoạt động điều khiển đạt được thông qua việc tính điện áp/dòng điện và hằng số của động cơ

Phương pháp này chia dòng điện động cơ thành các phần theo từ thông và các phần do momen xoắn tạo ta và sử điều khiển từng phần độc lập Phương pháp này cho phép momen xoắn và vị trí được điều khiển ở độ chính xác cao và độ nhạy cao Đa năng

Phương pháp này cực kỳ linh hoạt đối với các động cơ tiêu chuẩn có ít bộ phận

Phương pháp này cần một động cơ bất biến, tuy nhiên cấu tạo mạch tương đối đơn giản do có ít

Phương pháp này cần có một hằng số của động cơ và điều chỉnh độ lợi

Phương pháp này cần có một động cơ gắn encoder và điều khiển độ lợi

Giới thiệu về vi xử lý DSP

1.3.1 Giới thiệu chung về DSP

DSP đơn giản là một loại vi xử lý đặc biệt Chúng cũng có tất cả các bộ phận cơ bản như: CPU, bộ nhớ, tập lệnh, các bus … Điểm khác biệt chủ yếu là ở chỗ: các thành phần này được điều chỉnh nhằm thực hiện hiệu quả hơn một số thao tác nào đó Về sơ lược thì DSP sẽ có phần cứng và tập lệnh được tối ưu hóa, để phục vụ cho những ứng dụng xử lý số liệu và đáp ứng thời gian thực cho các tín hiệu tương tự từ môi trường

Hình 1.18 Vi xử lý DSP

DSP là một vi xử lý chuyên dụng để thực hiện thao tác xử lý tín hiệu vô cùng hiệu quả Cũng giống như vấn đề chuyên môn hóa nghề nghiệp của con người, khi DSP được thiết kế cho lĩnh vực xử lý tín hiệu, chúng sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn để hoàn thành việc ấy Do đó, sẽ cần tới ít thời gian, năng lượng và tài nguyên hơn các bộ xử lý đa mục đích (general-purpose processor) khi thực thi các tác vụ xử lý tín hiệu” điều khiển bộ phận điều khiển Động cơ có thể sử dụng Động cơ thường Động cơ thường Động cơ thường Động cơ có điều khiển vector chuyên dụng, gắn encoder phản hồi

Tính đặc thù của DSP:

Hình 1.19 Vai trò của DSP trong một quá trình xử lý tín hiệu

Thông thường một vi xử lý được coi như một DSP khi chúng phải thực hiện tốt 2 thứ sau:

 Xử lý tốt các phép tính toán học: các vi xử lý này phải có khả năng thực hiện hàng triệu (hàng tỷ) lệnh nhân và cộng trên 1 giây Đây là các phép toán được sử dụng rất nhiều trong các thuật toán xử lý tín hiệu

 Đáp ứng vấn đề thời gian thực: tính thời gian thực thể hiện ở sự khắt khe về mặt thời gian đáp ứng của hệ thống Nói một cách ngắn gọn, đối với hệ xử lý tín hiệu số, tính thời gian thực quy định cụ thể thời gian thực thi của vi xử lý (từ khi trích mẫu tới khi đưa ra kết quả) phải nằm trong một khung thời gian cho trước Khung thời gian này thường gắn với chu kỳ trích mẫu, nó phải nhỏ hơn ít nhất 2 lần tần số của tín hiệu mà vi xử lý thao tác Nếu khung thời gian đó bị phá vỡ, hệ sẽ không đáp ứng thời gian thực

Hình 1.20 Chu kỳ làm việc Của DSP

Mặc dù khó có thể nói DSP là một vi xử lý tốc độ cao, do thời lượng thực thi phụ thuộc vào đối tượng mà DSP phải xử lý Có đối tượng có đặc tính nhanh như tín hiệu điện, điện từ … Có đối tượng có đặc tính chậm hơn như vận tốc, vị trí động cơ điện … Điều đó khác hẳn với các bộ xử lý đa mục đích tốc độ cao, cần có tần số xử lý nhanh vì phải thực hiện nhiều tác vụ, tương tác với nhiều đối tượng cùng một lúc Tuy nhiên, việc bị giới hạn thời gian tính toán trong những khung thời gian xác định, cộng thêm khối lượng lớn các phép xử lý tín hiệu cần phải thực thi (các mạch vòng điều khiển đối với các thiết bị công suất, các thuật toán xử lý tín hiệu đối với các thiết bị thông tin, nghe nhìn, truyền thông …) cho thấy một cách rõ nét diện mạo của các DSP và lĩnh vực mà nó không thể bị thay thế

Hiện nay các DSP do hãng Texas Instruments sản xuất chiếm 48% số lượng DSP trên thế giới Các DSP này được TI chia ra làm 3 họ C2000, C5000 và C6000

Hình 1.21 Các họ DSP của hang Texas Instruments

- Dòng C2000 là dòng DSP được thiết kế cho lĩnh vực điểu khiển số (DSC –

Digital Signal Control) Ví dụ như điều khiển động cơ, điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất Sự phát triển không ngừng của các linh kiện bán dẫn đang làm giá thành các bộ biến đối công suất (ví dụ như IGBT, Thyristor …) ngày càng giảm, và thâm nhập ngày càng sâu vào dây truyền công nghiệp Đồng thời, cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển giúp việc chế ngự động cơ công suất lớn ngày càng hiệu quả (ví dụ như các thuật toán điều khiển FOC, DTC …) thông qua điều khiển năng lượng cấp cho động cơ bằng các van bán dẫn Sự kết hợp đó mở ra cánh cửa ứng dụng cho DSP trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị công suất bằng việc chạy các bài toán điều khiển phức tạp Trong mối tương quan với 2 họ còn lại, họ C2000 được thiết kế cho những ứng dụng ít phức tạp hơp về mặt xử lý tín hiệu, vì vậy được xếp là dòng DSP giá rẻ so với các loại DSP khác

- Dòng C5000: Đây là dòng DSP được thiết kế cho các ứng dụng xử lý tín hiệu trên các thiết bị di động, đặc điểm nổi bật của dòng này là khả năng tiết kiệm năng lượng Với mức năng lượng tiêu thụ thấp, kích thước nhỏ gọn, chúng được trang bị chủ yếu trên các điện thoại di động, camera số, modem…

- Dòng C6000: đây là dòng DSP có năng lượng tính toán mạnh mẽ nhất Chúng được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực xử lý ảnh, xử lý âm thanh…

1.3.2 Giới thiệu về DSP C2000 TMS320F2802X

Họ vi điều khiển TMS320F2802X thuộc dòng vi điều khiển DSP C2000 là dòng DSP được thiết kế cho lĩnh vực điểu khiển số như điều khiển động cơ, điều khiển các bộ biến đổi công suất

Hình 1.22 Một số tính năng nổi của họ VĐK TMS320F2820X

Một số tính năng của vi điều khiển TMS320F28027:

- Tần số CPU: 60 MHz với chu kỳ làm việc 16,67 ns;

- Bộ nhớ: 64KB Flash, 12KB SRam, 128 bit bộ nhớ bảo mật

- Số bộ chuyển đổi tín hiệu ADC 13 Ch, số bộ phát xung PWM 8 Ch, số bộ phát xung PWM phân giải cao 4Ch;

- Số chân 48; 2 đầu vào so sánh tín hiệu analog, 12 chân ADC, 2 chân bộ dao động;

Nhiệt độ hoạt động: -40 o C đến 125 o C

- 3 bộ đếm thời gian Timers 32 bit

Hình 1.23 Cấu trúc của họ VĐK TMS320F2820X Ứng dụng của họ vi điều khiển TMS320F2820X:

- Bộ điều khiển số nguồn điện AC/DC đơn và kép;

- Bộ sạc pin, quản lý năng lượng pin, ắc-quy

- Bộ chuyển đổi DC/DC

- Module điều khiển động cơ BLDC, Servo, biến tần cỡ nhỏ

- Xe đạp điện, cần trục, xe nâng…

- Các thiết bị điện gia dụng khác…

1.3.3 Một số đặc trƣng trong cấu trúc phần cứng của DSP

Cấu trúc phần cứng đặc biệt giúp DSP thực hiện các phép tính tổng các tích một cách nhanh chóng

Hình 1.24 Tính toán trong DSP

Trên đây là minh họa quá trình tính tổng các tích trong bộ lọc FIR với 2 mảng hệ số a và x gồm 3 phần tử Hình vẽ thể hiện quá trình thao tác dữ liệu dựa trên các phép nhân và cộng dồn từ 2 mảng số liệu trong bộ nhớ Để tối ưu DSP cho phép tình này, người thiết kế thường phải tối ưu 2 thứ sau:

 Tối ƣu thời gian thực hiện phép tính tổng các tích SOP

 Tối ƣu thời gian truy cập bộ nhớ: bao gồm quá trình đọc lệnh từ bộ nhớ chương trình, quá trình đọc số liệu từ 2 bộ nhớ dữ liệu đầu vào (a, x) và quá trình ghi kết quả vào bộ nhớ đầu ra (y).

Có một nguyên tắc chung cho việc tối ưu 2 vấn đề trên đó là: Phân chia nhiệm vụ thành các phần riêng lẻ và thực hiện song song.

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC

Các phương pháp thông dụng trong điều khiển động cơ BLDC

 Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính:

 Phương pháp dùng cảm biến vị trí

 Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến (sensorless control) Cảm biến dùng để xác định vị trí của rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện vào các cuộn dây tương ứng Cảm biến xác định vị trí có thể sử dụng là cảm biến Hall, cảm biến tốc độ từ trở biến thiên, gia tốc kế Tín hiệu điều khiển đưa tới các cuộn dây để điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho các cuộn dây stator

+ Điều khiển bằng phương pháp PWM

+ Kỹ thuật điện áp hình thang

 Phương pháp diều khiển dùng cảm biến hall

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 120 0 điện hay 60 0 điện để xác định chính xác vị trí rô to để điều khiển tương ứng các pha của dòng điện phần ứng stato

 Một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall (một chất bán dẫn)

 Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:

Với VH là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường độ từ trường, d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall

 Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control) 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 goi 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 chúng ta 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 Trong khi điều chế PWM, tín hiệu PWM chồng chất lên điện áp trung tính, gây ra nhiễu rất lớn trên tín hiệu cảm biến Để lấy tín hiệu chuẩn ta cần mạch lọc nhiễu cho cảm biến, điều này gây trì hoãn không cần thiết cho tín hiệu cảm biến 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

 Đồ án này sử dụng phương pháp điều khiển động cơ không dùng cảm biến

 Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện áp có biên độ và tần số mong muốn cung cấp cho động cơ.Trong nội dung này chúng ta khái quát phương pháp đó là:

 Phương pháp điê u chê vector không gian (Space Vector)

2.1.1 Sơ đồ chức năng động cơ một chiều không chổi than

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng động cơ một chiều không chổi than

Trên hình 2.1 là sơ đồ chức năng động cơ một chiều không chổi than gồm 3 khối Hoạt động của động cơ một chiều không chổi than như sau: (hình 2.2)

Cuộn dây phần ứng stato gồm ba cuộn là A, B và C, lệch nhau trong không gian 120 0 và nối hình sao Cảm biến vị trí gồm hai phần: phần quay gọi là roto và phần đứng yên là stato Roto cảm biến vị trí có dạng hình tròn khuyết đặt trên cùng một trục với roto động cơ là phần tử tín hiệu TH của cảm biến vị trí Stato cảm biến vị trí có các phần tử cảm ứng CA, CB, CC ứng với vị trí các pha A, B, C của động cơ Dưới tác động của phần tử tín hiệu TH, các phần tử cảm ứng tạo ra tín hiệu điều khiển để đưa vào bộ đổi chiều

Trong sơ đồ (hình2.2) bộ đổi chiều gồm ba transistor TA, TB, TC, mắc nối tiếp với các pha A, B, C của động cơ Chúng làm việc ở chế độ khóa

Phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí nằm gần phần tử cảm ứng tương ứng với pha A, CA Nhờ tín hiệu điều khiển (điện áp) của CA, transistor TA mở, trong pha

A của cuộn ứng động cơ xuất hiện dòng điện, IA# 0 Trong lúc đó, vì TB, TC đóng nên IB = IC = 0 Nhờ sự tương tác giữa STĐ pha A của cuộn ứng với từ thông của từ trường nam châm vĩnh cửu roto, trong động cơ xuất hiện momen quay, tác động lên roto làm nó quay theo chiều kim đồng hồ Phần tử tín hiệu của cảm biến vị trí đồng thời quay cùng roto của động cơ

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý đơn giản của động cơ một chiều không chổi than với 3 cuộn dây trên stato

Khi góc quay của roto lớn hơn 30o một chút, phần tử tín hiệu tác động đồng thời lên hai phần tử cảm ứng CA và CB (vị trí 2 trên hình.3) Các transistor TA và

TB lập tức mở, dòng điện chảy trong các pha A và B dây quấn, IA# 0, IB # 0 Nhờ sức từ động của pha B, sức từ động tổng của cuộn stato FAB quay đi một góc khoảng 60 0 so với vị trí ban đầu và tác động với từ thông của nam châm vĩnh cửu làm cho roto tiếp tục quay theo chiều kim đồng hồ.Khi góc quay của roto lớn hơn

90 0 một chút (vị trí 3 trên hình 2.2), phần tử tín hiệu chỉ tác động lên phần tử cảm ứng CB Do đó, transistor TB mở, các transistor còn lại đóng Dòng điện chỉ chạy trong pha B của cuộn dây; IB # 0, IA = IC = 0 STĐ của pha B chính là sức từ động của dây quấn stato Nhờ vậy, roto tiếp tục quay theo chiều của mình Tín hiệu điều khiển từ cảm biến vị trí được đưa vào các transistor bộ phận đổi chiều và đóng mở chúng đúng lúc.Nếu tăng số pha của cuộn stato, và số phần tử cảm biến và số transistor bằng số bối dây và phiến góp D của máy điện một chiều bình thường, thì đặc tính của máy điện không chổi than một chiều hoàn toàn giống máy điện một chiều vành góp Tuy nhiên, việc tăng số lượng các pha dây quấn stato kéo theo sự phức tạp của sơ đồ điều khiển Vì vậy trong thực tế số pha của dây quấn thường không vượt quá bốn

2.1.2 Mô phỏng hệ thống truyền động động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Dưới đây đề xuất mô hình điều khiển động cơ một chiều không tiếp điểm và cách thực hiện nó Đặc biệt việc mô phỏng bộ biến đổi PWM được thực hiện bằng hàm đóng ngắt Sự phát triển của mô hình dưới dạng các mô dun nên có thể dễ dàng mở rộng phạm vi mô phỏng cho những bài toán mô phỏng động cơ khác chỉ với thay đổi nhỏ

Hình 2.3 Sơ đồ khối và điều khiển động cơ BLDC

2.1.3 Sơ đồ chức năng hệ thống điều khiển động cơ BLDC

Hình 2.4 trình bày sơ đồ khối cho việc điều khiển động cơ không chổi than BLDC Sơ đồ bao gồm các khối chức năng:

 Khối sức phản điện động EMF

 Khối điều khiển trễ dòng

 Khối chỉnh lưu có điều khiển

 Khối điều khiển momen/ tốc độ

 Khối phát dòng đến các van bán dẫn và diode

 Khối chỉnh lưu có điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều tần số công nghiệp sau đó lọc để cấp điện áp một chiều cho khối biến đổi

Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector)

Trong kỹ thuật điện, điều chế vector không gian (vector Control), còn gọi là điều khiển tốc độ tựa từ thông (Field Oriented Control - viết tắt là FOC), là một phương pháp điểu khiển tần số (VFD) dòng điện của stator trong các đông cơ điện xoay chiều 3 pha được chiếu bởi hai thành phần vuông góc, 2 thành phần này có thể biểu diễn được trên vector không gian Thành phần thứ nhất xác định từ thông trên rotor của động cơ, Thành phần thứ hai xác định mô men quay Bộ điều khiển sẽ tình toán các dòng điện tương ứng dựa vào từ thông, momen quay từ bộ điều khiển tốc độ động cơ Thường thì bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI controller) sẽ được dùng để đo các thành phần dòng điện trên tại các giá trị tham chiếu Bộ điều chế độ rông xung (PWM) của biến tần sẽ đóng ngắt các transistor dựa trên các mẫu điện áp stator từ đầu ra của bộ điểu khiển PI

FOC được dùng để điểu khiển tốc độ đông cơ đồng bộ và không đồng bộ Ban đầu nó được phát triển cho các ứng dụng cần động cơ hiệu suất cao, yêu cầu hoạt động trơn tru với tốc độ tối đa, tạo ra momen quay cực đại và có hiệu suất động năng cao, tăng và giảm tốc nhanh Tuy nhiên, nó đang trở nên ngày càng hấp dẫn đối với các ứng dụng hiệu suất thấp hơn để giảm tiêu thụ điện năng, giảm giá thành và kích cỡ của động cơ Trong tương lai, với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ vi xử lý, FOC sẽ dần dần thay thế bộ điều khiển đơn biến vô hướng volt-trên-Hertz (V/f)

Phương pháp điều rộng xung vector không gian (SVM - Space Vector Modulation) khác với các phương pháp điều rộng xung khác (PWM - Pulse Width Modulation) Với các phương pháp PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như là ba bộ biến đổi kéo-đẩy riêng biệt với ba điện áp pha độc lập với nhau Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu được xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7

Hình 2.8 Điều chế độ rộng xung

 Thành lập vector không gian : Đối với nguồn áp ba pha cân bằng,ta luôn có phương trình sau: ua (t)  ub (t)  uc (t)  0 (18)

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ 2 chiều vuông góc Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng 3 vector gồm: [ua 0 0]T trùng với trục x, vector [0 ub 0]T lệch một góc 120 0 và vector

[0 0 uc]T lệch một góc 240 0 so với trục x như hình sau đây

Hình 2.9 Biễu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y

Từ đó ta xây dựng được phương trình của vector không gian trong hệ tọa độ phức như sau:

Trong đó 2/3 là hệ số biến hình Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần thực và phần ảo u(t)  ux  ju (20)

Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo trong phương trình (18) ta có

Tiếp theo hình thành tọa độ quay α-β bằng cách cho hệ tọa độ x-y quay với vận tốc góc ωt Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau: cos( t) cos( )

Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương trình điện áp pha như sau: sin( ) u sin( 2 / 3) u sin( 2 / 3) a m b m c m u V t

Từ phương trình (2.5) ta xây dựng được phương trình sau:

Thể hiện vector không gian có biên độ Vr quay với vận tốc góc ωt quanh gốc tọa độ 0 Phương trình điện áp dây như sau theo phương trình (24) như sau:

Trong đó 2để chuyển từ giá trị biên độ thành giá trị hiệu dụng, 3để chuyển giá trị điện áp pha thành điện áp dây Vector điện áp dây sẽ sớm pha hơn vector điện áp pha một góc π/6 Nếu lồng ghép các trạng thái có thể có của q1, q3 và q5 vào phương trình (25), ta thu được phương trình điện áp dây (trị biên độ) theo các trạng thái của các khóa

Với n = 0, 1, 2 6, ta thành lập được 6 vector không gian V1 – V6 và 2 vector

0 là V0 và V7 như hình sau

Hình 2.10 Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu áp 6 khóa (MOSFETs hoặc IGBTs)

2.3 Không gian véc tơ và các phép biến đổi hệ trục tọa độ a Chuyển hệ tọa độ không gian

Cho hệ tọa độ xy cố định và hệ tọa độ thứ 2 với các trục x*y*, có chung điểm gốc và nằm lệch đi 1 góc * so với hệ xy

Quan sát 1 vector bất kỳ ta thu được

Hình 2.11 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

Có thể dễ dàng rút ra từ hình 2.9 kết quả sau đây:

* * j x cos y sin cos x sin x cos sin e  

Một cách tổng quát ta thu được công thức chuyển hệ tọa độ sau đây: xy * * xy

Hai hệ tọa độ xy và x * y * được coi là hai hệ tọa độ cố định, hay nói cách khác: Góc lệch  * được coi là không đổi Trên thực tế  * có thể là một góc biến thiên với tốc độ góc ω d / dt *   * , trong trường hợp ấy, hệ tọa độ x * y * là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ ω * xung quanh điểm gốc tọa độ của hệ xy b Không gian véc tơ trong máy điện 3 pha

Hình 2.12 Hệ tọa độ vector không gian

- Hệ tọa độ 3 trục cuộn dây pha A, pha B, pha C: hệ tọa độ cuộn dây ba pha stator

- Hệ tọa độ : hệ tọa độ cố định stator

- Hệ tọa độ dq: hệ tọa độ từ thông rotor

Phương trình cân bằng dòng điện stator:

( ) | | cos( ) ( ) | | cos( 120 ) ( ) | | cos( 240 ) sa s s sb s s sc s s i t i t i t i t i t i t

Trong hệ thông 2 pha tĩnh, vector không gian được định nghĩa: xx  jx 

Không gian pha trong hệ thống 2 pha phải bằng với khoong gian pha trong hệ thống

Biến đổi abc  αβ cho bởi công thức:

Trong điều kiện cân bằng, thành phần trục 0 thêm vào tổng sẽ bằng không, ví dụ: o a b c 0 x x  x x 

Giả sử điều kiện cân bằng, biến đổi abc  α s β s :

Khi khung quay được gắn với trục A, thu được các mối quan hệ sau:

Chuyển đổi ngược lại cho bởi:

Chuyển hệ tọa độ  dq : sin cos cos sin sd s s s s sq s s s s i i i i i i

Hình 2.13 Chuyển đổi abc sang dq0, dq sang abc

Khi khung quay được gắn với trục A, thu được các mối quan hệ sau:

Chuyển đổi ngược lại cho bởi:

Khi khung quay lệch 90 0 sau trục A, thu được các mối quan hệ sau:

Chuyển đổi ngược lại cho bởi:

2.4 Lý thuyết phương pháp FOC

Trong các loại động cơ, động cơ BLDC dễ chế tạo, giá thành rẻ nhưng điều chỉnh chính xác tốc độ quay rất khó khăn Nguyên nhân là sự tác động qua lại của từ thông rotor và moment quay của động cơ, từ thông rotor là đại lượng rất khó đo chính xác Điều này dẫn đến việc điều khiển chính xác moment quay và tốc độ quay gặp khó khăn, hiệu suất động cơ thấp Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ dàng hơn Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field orientated control – FOC)

Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ thông rotor.Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội, ứng dụng phương pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên hệ tọa độ (d – q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục (q), còn thành phần từ thông rotor trên trục (d) có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại lượng dòng điện, điện áp khi được chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng là các thành phần một chiều Với những ưu điểm như trên,ta tập trung nghiên cứu về phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ định hướng theo từ thông rotor

Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày như hình 2.8 Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (d – q), vector dòng i s sẽ chia thành hai thành phần i sd và i q thành phần i sd điều khiển từ thông rotor còn thành phần i sq điều khiển momen quay Trong hình 2.9, động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp, đại lượng điều khiển là điện áp và được đặt lên stator của động cơ.

Nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập: từ thông rotor được giữ ổn định bởi dòng i s d  và sau đó thì moment và tốc độ động cơ được điều khiển bởi dòng tạo moment i s q 

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC

Hai phương pháp tiếp cận trong điều khiển vector từ thông rotor thường được sử dụng là phương pháp điều khiển trực tiếp (sử dụng cảm biến để đo trực tiếp từ thông rotor của động cơ) và phương pháp thứ hai là phương pháp điều khiển gián tiếp dựa trên việc đo vị trí rotor

Phương pháp điều khiển trực tiếp có nhiều nhược điểm như: cảm biến sẽ làm mô hình động cơ thêm cồng kềnh, giá thành tăng lên, và từ thông đo được cũng khó chính xác Do đó, phương pháp điều khiển FOC kiểu gián tiếp là phương pháp dễ được chấp nhận Vấn đề đặt ra đối với FOC kiểu gián tiếp là làm sao xây dựng được mô hình nhằm hiệu chỉnh sai số của từ thông rotor và tốc độ động cơ được ước lượng hồi tiếp về Góc  đóng vai trò rất quan trọng trong phương pháp điều khiển gián tiếp FOC

 Lợi ích của Sensorless FOC:

Lý thuyết phương pháp FOC

Trong các loại động cơ, động cơ BLDC dễ chế tạo, giá thành rẻ nhưng điều chỉnh chính xác tốc độ quay rất khó khăn Nguyên nhân là sự tác động qua lại của từ thông rotor và moment quay của động cơ, từ thông rotor là đại lượng rất khó đo chính xác Điều này dẫn đến việc điều khiển chính xác moment quay và tốc độ quay gặp khó khăn, hiệu suất động cơ thấp Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên dễ dàng hơn Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field orientated control – FOC)

Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ thông rotor.Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội, ứng dụng phương pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên hệ tọa độ (d – q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục (q), còn thành phần từ thông rotor trên trục (d) có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại lượng dòng điện, điện áp khi được chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng là các thành phần một chiều Với những ưu điểm như trên,ta tập trung nghiên cứu về phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ định hướng theo từ thông rotor

Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày như hình 2.8 Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (d – q), vector dòng i s sẽ chia thành hai thành phần i sd và i q thành phần i sd điều khiển từ thông rotor còn thành phần i sq điều khiển momen quay Trong hình 2.9, động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp, đại lượng điều khiển là điện áp và được đặt lên stator của động cơ.

Nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập: từ thông rotor được giữ ổn định bởi dòng i s d  và sau đó thì moment và tốc độ động cơ được điều khiển bởi dòng tạo moment i s q 

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC

Hai phương pháp tiếp cận trong điều khiển vector từ thông rotor thường được sử dụng là phương pháp điều khiển trực tiếp (sử dụng cảm biến để đo trực tiếp từ thông rotor của động cơ) và phương pháp thứ hai là phương pháp điều khiển gián tiếp dựa trên việc đo vị trí rotor

Phương pháp điều khiển trực tiếp có nhiều nhược điểm như: cảm biến sẽ làm mô hình động cơ thêm cồng kềnh, giá thành tăng lên, và từ thông đo được cũng khó chính xác Do đó, phương pháp điều khiển FOC kiểu gián tiếp là phương pháp dễ được chấp nhận Vấn đề đặt ra đối với FOC kiểu gián tiếp là làm sao xây dựng được mô hình nhằm hiệu chỉnh sai số của từ thông rotor và tốc độ động cơ được ước lượng hồi tiếp về Góc  đóng vai trò rất quan trọng trong phương pháp điều khiển gián tiếp FOC

 Lợi ích của Sensorless FOC:

 Hiệu quả cao là một trong những ưu điểm hàng đầu của Kiểm soát theo hướng ngoài bằng cách căn chỉnh Rotor và thông lượng stator để tạo ra mô men xoắn tối ưu nhất của Động cơ

 Không có cảm biến vị trí bắt buộc được yêu cầu trong thuật toán này vì vị trí và tốc độ của Động cơ được ước lượng dựa trên dòng điện và điện áp

 Tăng cường phản ứng động

 Mở rộng phạm vi tốc độ Hoạt động

 Sơ đồ điều khiển động cơ BLDC sử dụng phương pháp FOC

Hình 2.15 Hoạt động điều khiển tốc độ động cơ BLDC sử dụng FOC

 Trong khối điều khiển tốc độ :

Hình 2.16 Sơ đồ khối kiểm soát tốc độ động cơ

Từ điện áp phản hồi V  , V  của điện áp pha stator ta tính được dòng điện pha stator

I s = * * 1 (V * e * z) s s S s d R i i dt   L  L   sau đó chuyển qua miền rời rạc ta suy ra được suất điện động của bộ điều khiển e dk và chiếu trên 2 trục của stator => từ đó

=> tốc độ thực của động cơ :

 k speed : hệ số tốc độ

Từ hình (2.10) ta thấy sai số giữa tốc độ đặt và tốc độ từ bộ điều khiển động cơ sẽ tạo ra mô men xoắn để giữ cho rôto quay Dòng điện đầu ra của động cơ qua bộ biên đổi sẽ biến đổi qua hệ  và  Sau đó biến đổi qua hệ d,q và tạo góc quay

 Từ đó dòng tạo mô men i q và mô men sẽ qua bộ PI thành điện áp V q , tương tự ta có từ thông và dòng tạo từ thông i d qua bộ PI thành điện áp V d

Dòng điện áp V q ,V d qua bộ biến đối sẽ biến đổi qua hệ  và  cấp cho khối SVM (không gian vecter),khối SVM sẽ tạo xung để điều khiển động cơ

Hình 2.17 Dạng sóng điện áp ra

 Đối với động cơ BLDC thì :

Phương pháp FOC : 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.Ước lượng vị trí của rotor là cần thiết để việc kiểm soát sự tạo mô-men xoắn để giữ được tốc độ quay của động cơ

Sức điện của động cơ BLDC :

Hình 2.18 Sơ đồ mạch điện của động cơ BLDC

Với v s : điện áp ra i s :dòng động cơ e s :suất diện động R:điện trở

Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng phần mềm Matlab Simulink

2.5.1 Sơ đồ mô phỏng bằng matlab simulink

Hình 2.19 Sơ đồ mô phỏng matlab simu link

 Khối ước lượng tốc độ

Hình 2.20 Ước lượng tốc độ

Nhận dòng và điện áp từ động cơ sau đó phát tín hiệu chuyển mạch tới khối điều khiển động cơ

 Mạch điều khiển tốc độ :

Hình 2.21 Mạch điều khiển tốc độ

Tín hiệu từ mạch vòng điều khiển dòng được tạo ra bởi bộ ước lượng tốc độ và vị trí của rotor, và cần phải có khối tạo tín hiệu dòng đặt, khối này sẽ tạo ra tín hiệu dòng đặt từ mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài với độ rộng xung tương ứng Mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài, lấy tín hiệu đặt là tốc độ đặt, so sánh với tốc độ được xác định từ bộ ước lượng tốc độ và vị trí của rotor, tính toán sai lệch so với tốc độ thực, sau đó sử dụng các luật điều khiển PI để tạo ta tín hiệu dòng đặt

Hình 2.22 Khối điều khiển dòng

Mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong nhằm tạo ra 06 tín hiệu PWM đưa tới đóng mở 06 van thông qua bộ điều khiển dòng PWM, bộ điều khiển dòng này lấy các giá trị dòng điện đặt được tạo ra bởi mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài và so sánh với các dòng điện ở 03 pha thực của stator, sau đó điều chế ra 06 tín hiệu PWM Để điều chế được, bộ điều khiển dòng cần sử dụng tín hiệu từ bộ giải mã tương tự như cảm biến Hall để xác định quy luật đóng mở cho các van

Hình 2.23 Kết quả mô phỏng Matlab Simulink

CẤU TẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ PHẦN CỨNG

Mạch điện tử công suất

3.1.1 Tính toán thiết kế mạch lực

Thông số tải động cơ như sau:

Các thông số Đơn vị Động cơ đấu sao Động cơ đấu tam giác

P đm Công suất định mức KW 1,5 (2HP) 1,5 (2HP)

U đm Điện áp định mức V 380 220

I đm Dòng điện định mức A 4 7

 Hiệu suất % NA NA cos Hệ số công suất 0.8 0.8

RPM Vận tốc Vòng/phút 400 400

Bảng 3.1 Thông số động cơ

Bộ chỉnh lưu sử dụng là chỉnh lưu cầu 3 pha với một số tham số cơ bản sau: Tham số U d /U 2 I v U ng max I 2 /I d m đm f đm k đm Giá trị 2,34 I d /3 2,45.U 2 0,816 6 300 0,057

Bảng 3.2 Tham số cơ bản của chỉnh lưu cầu 3 pha Ở đây: U2= U pha = 220V

Dòng định mức mỗi pha của động cơ:

Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng khởi động-là dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức Do đó, dòng điện cực đại qua mỗi pha:

I  I   A Điện áp ngược lớn nhất đặt trên diode là:

Chọn hệ số an toàn K u =1,2 nên điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode là: max 1, 2.539 646,8( ) ng u ng

Chọn hệ số dự trữ dòng Ki=1,3 ta có dòng làm việc của Diode là:

Vậy ta chọn Diode 10A10 có tham số sau:

+ Dòng trung bình qua diode: 10A

+ Điện áp ngược lớn nhất: 1000A

Bộ nghịch lưu được sử dụng là 3 pha nên tại mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, vì vậy điện áp ngược đặt lên các van còn lại chính là điện áp sau chỉnh lưu

Mạch nghịch lưu có đầu vào là khâu trung gian một chiều, đầu ra là điện áp 3 pha nối vào động cơ Dòng cực đại qua mỗi pha động cơ chính là dòng đỉnh qua mỗi van Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng khởi động – là dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức Do đó, dòng hiệu dụng lớn nhất qua mỗi van là:

Chọn hệ số dự trữ K I  2 Dòng điện lớn nhất mà van phải chịu:

I    Điện áp ngược đặt lên van IGBT (hay dòng Collector) là: ngIGBT d 517

 Chọn module IGBT tích hợp FSBB20CH60F với các thông số sử dụng trong thiết kế mạch như sau:

+ Dòng điện lớn nhất là 20A

+ Giải nhiệt độ là từ -40 – 125oC

+ Tần số đóng cắt lớn nhất: 20Khz

 Mạch dùng IC FSBB20CH60F

Giới thiệu IC FSBB20CH60F :

Hình 3.1 Sơ đồ chân của FSBB20CH60F

Bảng 3.3 Các chân của IC FSBB20CH60F

1 VCC(L) Low-Side Common Bias Voltage for IC and IGBTs Driving

3 IN(UL) Signal Input for Low-Side U-Phase

4 IN(VL) Signal Input for Low-Side V-Phase

5 IN(WL) Signal Input for Low-Side W-Phase

7 CFOD Capacitor for Fault Output Duration Selection

8 CSC Capacitor (Low-pass Filter) for Short-Circuit Current Detection

9 IN(UH) Signal Input for High-Side U-Phase

10 VCC(UH) High-Side Bias Voltage for U-Phase IC

11 VB(U) High-Side Bias Voltage for U-Phase IGBT Driving

12 VS(U) High-Side Bias Voltage Ground for U-Phase IGBT Driving

13 IN(VH) Signal Input for High-Side V-Phase

14 VCC(VH) High-Side Bias Voltage for V-Phase IC

15 VB(V) High-Side Bias Voltage for V-Phase IGBT Driving

16 VS(V) High-Side Bias Voltage Ground for V-Phase IGBT Driving

17 IN(WH) Signal Input for High-Side W Phase

High-Side Bias Voltage for W-Phase IC

19 VB(W) High-Side Bias Voltage for W-Phase IGBT Driving

20 VS(W) High-Side Bias Voltage Ground for W-Phase IGBT Driving

21 NU Negative DC-Link Input for U-Phase

22 NV Negative DC-Link Input for V-Phase

23 NW Negative DC-Link Input for W-Phase

Với hệ số cosmin 0, 6 và dòng tải động cơ 4A có tham số tải:

Giá trị tụ điện tính theo lọc một chiều của mạch chỉnh lưu:

Trong mạch thiết kế sử dụng 2 tụ điện 450V 220uF và 250V 680uF mắc nối tiếp với nhau và có giá trị điện dung tương đương:

Có hai sự lựa chọn cho các khóa đóng ngắt công suất để điều khiển động cơ là MOSFET và IGBT vì khả năng chịu dòng và áp cao

Nói chung, những loại động cơ mà sử dụng các khóa đóng ngắt (MOSFET , IGBT ) để điều khiển thì đều cần dùng đến mạch lái (gate drive scheme) Có 2 phần cơ bản trong việc điều khiển các đóng ngắt các linh kiện công suất là: điều khiển phía cao (high side – Q1) và phía thấp (low side Q2)

Hình 3.2 Ví dụ sơ đồ điều khiển mosfet

Trong ví dụ trên Q1 và Q2 luôn ở trạng thái làm việc đối nghịch nhau Khi Q1 ở trạng thái ON thì Q2 ở trạng thái OFF và ngược lại

Khi Q1 đang ở trạng thái OFF chuyển sang trạng thái ON => chân S (MOSFET) hay chân E (IGBT) của Q1 chuyển từ ground sang điện áp cao ( high voltage rail) Do đó muốn kích Q1 tiếp tục ON thì phải tạo điện áp kích VGS1 có giá trị VGS1= VSQ1 + ∆V.Trong khi đó tín hiệu ra của vi xử lý điều khiển đóng ngắt các khóa chỉ có giá trị điện áp +5V (so với ground) Nên cần phải có mạch lái để tạo trôi áp và cách ly trong việc đóng ngắt phía cao Q1

Tuy nhiên đối với Q2 thì chân S được nối ground , do đó điện áp kích VGS2 chỉ cần có giá trị ∆V Do đó việc đóng ngắt khóa low side (Q2) được điều khiển dễ dàng hơn

∆V: giá trị điện áp cần thiết để kích Q1 hay Q2 dẫn Đối với MOSFET và IGBT ∆V có giá trị từ 10 đến 15 (V)

 Sơ đồ mạch lái để điều khiển đóng ngắt MOSFET hay IGBT (Q1)

Có 3 dạng sơ đồ cơ bản như sau:

1 Single ended or double ended gate drive transfomer

2 Floating bias voltages and opto – isolater drive

3 High voltage bootstrap diver Ics

Trong các phương án (1),(2) sử dụng biến áp xung trong thiết kế mạch lái mosfet , trường hợp xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái bão hòa và ngõ ra của nó không phù hợp yêu cầu điều khiển.Do đó trong phần này đề cập đến phương án sử dụng loại High Voltage Bootstrap Diver ICs

Hình 3.3 Sơ đồ khối của IC lái mosfet

Hình 3.3 đưa ra một giải pháp để điều khiển kích đóng ngắt phía cao Q1, và hơn thế nữa nó không đòi hỏi người dùng cần phải có kiến thức về máy biến áp Những ICs loại này sử dụng mạch dịch mức (level shifting circuitry) bằng tụ C

“bootstrap” để lái phía cao.Trong suốt thời gian ON của Q2 chân S của Q1 có điện thế là ground Điều này cho phép tụ Cboot được nạp (thông qua diode D1) đến giá trị VBIAS Khi Q2 được kích OFF và Q1 được kích ON thì điện áp chân S của Q1 bắt đầu tăng lên Tụ Cboot lúc này đóng vai trò của nguồn phân cực, cung cấp dòng để lái phía cao Q1

Nhược điểm mạch lái loại này là có thời gian delay giữa tín hiệu input và tín hiệu đóng ngắt các khóa bán dẫn Thời gian trỉ hoãn từ 500ns : 1us Nó có thể là vấn đề khi tiến hành các ứng dụng hoạt động ở tần số cao (nhưng tần số hoạt động của động cơ < 60Hz)

Các mạch phát ra tính hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn phải được cách ly về điện Điều này có thể thực hiện bằng opto hoặc bằng biến áp xung

+ Biến áp xung: Gồm một cuộn dây sơ cấp và có thể nhiều cuộn thứ cấp Với nhiều cuộn dây phía thứ cấp, ta có thể kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp hoặc song song

Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh Trong trường hợp xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái bão hòa và ngõ ra của nó không phù hợp yêu cầu điều khiển

+ Opto :Gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (IR - LED) và mạch thu dùng phototransistor Do đó thõa mãn yêu cầu cách ly về điện, đồng thời đáp ứng của opto tốt hơn máy biến áp xung.ta lựa chọn phương án dùng opto Yêu cầu đặt ra đối với opto là phải chịu được tần số đóng ngắt khá cao ( 10KHz) Trong đó,

HCPL-2631 là optocouplers của hãng Fairchild có đáp ứng tần số lên đến 10MHz

Các loại linh kiện thường được sử dụng trong bộ nghịch lưu

Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt công suất trong điều khiển đông cơ đó là MOSFET và IGBT Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện được điều khiển bằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối với cực gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng transitor như trước đây Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn

Hình 3.4 Sơ đồ khối của MOSFET

Mạch điều khiển

Hình 3.5 Sơ đồ mạch chỉnh lưu

3.3 Một số hình ảnh thực tế

Hình 3.9 Hình ảnh mạch DSP trong thực tế

Vậy biểu hiện như thế nào thì một vi xử lý được coi như một DSP Thông thường thì chúng phải thực hiện tốt 2 thứ sau:

 Xử lý tốt các phép tính toán học: các vi xử lý này phải có khả năng thực hiện hàng triệu (hàng tỷ) lệnh nhân và cộng trên 1 giây Đây là các phép toán được sử dụng rất nhiều trong các thuật toán xử lý tín hiệu

 Đáp ứng vấn đề thời gian thực: tính thời gian thực thể hiện ở sự khắt khe về mặt thời gian đáp ứng của hệ thống Nói một cách ngắn gọn, đối với hệ xử lý tín hiệu số, tính thời gian thực quy định cụ thể thời gian thực thi của vi xử lý (từ khi trích mẫu tời khi đưa ra kết quả) phải nằm trong một khung thời gian cho trước

 Mạch chỉnh lưu và mạch đo dòng

Hình 3.12 Mạch chỉnh lưu và mạch đo dòng

Hình 3.14 Hình ảnh toàm mạch

Hình 3.15 Dạng sóng điện áp đầu ra

Hình 3.16 Dạng xung vuông trên osciilospoce

Một số hình ảnh thực tế

Đề tài “Nghiên cứu và thử nghiệm thiết kế bộ biến tần nguồn áp điều khiển động cơ BLDC” tuy ko phải là đề tài mới và cũng không phải là đề tài lớn, nhưng qua đó đã phản ánh được sự các kiến thức đã học một cách khoa học, tinh thần làm việc nghiêm túc, sự tìm tòi học hỏi, nghiên cứu các kiến thức mới của em, cùng với sự giúp đỡ và chỉ dạy tận tình của người hướng dẫn Th.S ĐINH VĂN NAM và thầy cô trong VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Trong đồ án này em cũng đã nghiên cứu thiết kế được mạch điiều khiển động cơ theo đúng yêu cầu đề tài Nhìn chung mạch thiết kế có độ chính xác cao, hoạt đông tốt , và hoàn thành có thể ứng dụng vào thực tế và thương mại thuận tiện, nhanh gọn

Do thời gian làm đề tài có hạn nên đề tài của em còn có một số hạn chế Nếu có điều kiện thì em sẽ phát triển mạch một cánh khoa học hơn và điều khiển động cơ một cách tốt nhất, hiệu quả nhất

Sau một thời gian làm đề tài Em đã rút được nhiều kinh nghiệm cho bản thân, đó cũng là nhờ sự chỉ dạy nhiệt tình của thầy cô và sự góp ý của các bạn

Sinh viên thực hiện HOÀNG VĂN TUẤN