7. Ngày hoàn thành đồ án:
3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc động cơ BLDC
a). Cấu tạo
Về cấu tạo, động cơ BLDC giống động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Hình 3.2 trình bày cấu tạo của một động cơ BLDC ba pha điển hình.
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
Hình 3.2. Cấu tạo động cơ BLDC [14] - Stator
Hình 3.3. Stator động cơ BLDC [15]
Stator của động cơ BLDC bao gồm các lá thép xếp chồng lên nhau với các cuộn dây đươc đặt trong các rãnh tương tự như của một động cơ điện cảm ứng. Tuy nhiên, các cuộn dây của động cơ BLDC được phân phối một cách khác nhau. Hầu hết các động cơ BLDC có ba cuộn dây stato nối hình sao. Một hoặc nhiều bối dây được đặt trong các rãnh và được nối liền với nhau để tạo ra một cuộn dây. Mỗi cuộn dây được sắp xếp để tạo thành một số chẵn các cực. Cách kết cấu cuộn dây theo dạng đồng khuôn tập trung đã làm cho sức phản điện động của động cơ BLDC có dạng hình thang, cùng với đó thì các dòng điện pha có dạng hình chữ nhật.
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
- Rotor
Hình 3.5. Các dạng rotor của động cơ BLDC [15]
Khác với động cơ không đồng bộ, bề mặt rotor của động cơ BLDC được dán nhiều thanh nam châm vĩnh cửu lên bề mặt. Một số cách bố trí nam châm được mô tả trong hình 3.5.
- Cảm biến
Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator được cấp năng lượng trong một chu kỳ, theo thứ tự nhất định bằng cách đóng cắt các khóa trên bộ chuyển mạch điện tử. Điều này được thực hiện nhờ biết vị trí rotor để xác định được các cuộn dây tiếp theo sẽ được cấp điện để duy trì chuyển động. Vị trí rotor được xác định bằng cách sử dụng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall gắn trên stator. Chính điều này tạo ra ưu thế của động cơ BLDC so với động cơ một chiều không chổi than.
b). Nguyên lý làm việc
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
Việc chuyển mạch tuần tự giữa các van công suất là dựa theo tín hiệu từ cảm biến Hall đưa về sẽ cấp điện cho các cuộn dây tương ứng theo chiều xác định trước, tạo ra từ trường quay trên stator. Từ trường quay trên stator tác dụng với từ trường rotor sinh ra momen kéo động cơ quay. Thứ tự đóng cắt các van trong mạch theo tín hiệu cảm biến trong trường hợp điều khiển động cơ ở chế độ 2 van dẫn được mô tả trong bảng 3.1 với trường hợp động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ.
Bảng 3.1. Thứ tự chuyển mạch các van khi động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ Tín hiệu Hall Van cần mở Pha A B C A B C 1 0 1 Q5 Q6 - -DC +DC 1 0 0 Q1 Q6 +DC -DC - 1 1 0 Q1 Q2 +DC - -DC 0 1 0 Q2 Q3 - +DC -DC 0 1 1 Q3 Q4 -DC +DC - 0 0 1 Q4 Q5 -DC - +DC
Đối với quá trình quay ngược chiều kim đồng hồ của động cơ các van phải được đóng cắt tuân theo bảng 3.2
Bảng 3.2. Thứ tự chuyển mạch các van khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ Tín hiệu Hall Van cần mở Pha A B C A B C 1 0 1 Q3 Q2 - +DC -DC 1 0 0 Q3 Q4 -DC +DC - 1 1 0 Q5 Q4 -DC - +DC
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
0 1 0 Q5 Q6 - -DC +DC
0 1 1 Q1 Q6 +DC -DC -
0 0 1 Q1 Q2 +DC - -DC
3.2. Phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC
Trong chương 2 ta đã chỉ ra rằng bộ điều khiển góc nghiêng có nhiệm vụ đưa ra giá trị momen cần thiết để có thể đưa xe trở về trạng thái cân bằng. Để điều khiển được momen có thể sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC [17], hoặc điều khiển dòng điện theo phương pháp dải trễ HCC (Hysteresis Current Controller)[14]. Trong đồ án này bọn em đã sử dụng phương pháp điều khiển dải trễ HCC do ưu điểm đơn giản và dễ thực hiện hơn phương pháp DTC.
3.2.1. Phƣơng pháp điều khiển dòng điện HCC
Dưới đây là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển, nó là sự kết hợp của phương pháp điều khiển hình thang phát xung 1200 và ba mạch vòng điều chỉnh dòng điện cho ba pha của động cơ BLDC. Trên hình 3.7 ta có mạch vòng tốc độ Rω giúp tính toán và đưa ra biên độ dòng điện đặt cho động cơ. Tín hiệu này sau khi qua khối điều chế 1200
, ta thu được dạng dòng điện đặt cho ba pha riêng biệt , , . Khâu hạn chế giúp đảm bảo động cơ làm việc không bị giật hoặc quá tải do biên độ dòng điện đạt quá lớn. Nhờ hệ thống cảm biến đo dòng thực của động cơ, ta có thông tin về sai lệch dòng điện từng pha, với bộ điều khiển dòng điện Ri ta đưa ra được tín hiệu điều khiển thích hợp tới khối phát xung PWM. Nhờ sự xuất hiện của mạch vòng dòng điện, khi tải trên đầu trục động cơ tăng lên, dòng điện động cơ bị giảm đột ngột, mạch vòng dòng điện giúp tăng tín hiệu điều khiển nhanh và kịp thời để động cơ có thể đáp ứng được yêu cầu của tải mà không bị suy giảm tốc độ.
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động BLDC Tải INVERTER PWM va* vb* vc* ia ib = - (ia + ic) ic Rω Ri Ri Ri im* d dt ω* θ ia* ib* ic* Cảm biến Hall 120o
Hình 3.7. Hệ điều khiển động cơ BLDC theo phương pháp điều khiển dòng điện theo góc pha [18].
Bộ điều khiển Rω thường là bộ điều khiển P hoặc PI, còn bộ điều khiển Ri thường là bộ điều khiển dải trễ (HCC), do đó phương pháp này còn có tên gọi là phương pháp điều khiển dải trễ. Hình 3.8 mô tả nguyên lý của bộ điều khiển dải trễ.
- I* Logic table I Current controller φ
Hình 3.8. Nguyên lý điều khiển dòng điện bằng bộ điều khiển dải trễ HCC [14] Bản chất của bộ điều khiển HCC là một khâu rơle hai vị trí, nó giúp điều khiển để đảm bảo dòng điện stator có giá trị thay đổi xung quanh giá trị đặt với biện độ sai lệch chính là biên độ của khâu rơle. Khi sử dụng bộ điều khiển dải trễ, điều cần chú ý chính là lựa chọn dải trễ điều chỉnh phù hợp sao cho vừa có thể điều khiển chính xác dòng điện vừa hạn chế tối đa tổn thất khi đóng cắt các khóa bán dẫn.
Dưới đây là dạng dòng điện và điện áp các pha của động cơ khi sử dụng cấu hình điều khiển dải trễ HCC:
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
Hình 3.9. Dòng điện, sức phản điện động trong nguyên lý điều khiển dải trễ [16].
Nhận xét:
Với hệ thống điều khiển này, động cơ BLDC có thể làm việc với mômen định mức và tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Với ưu điểm đơn giản ,dễ thực hiện trong thực tế với giá thành không quá cao, trong đề tài ứng dụng sử dụng phương pháp điều khiển dòng pha cho động cơ BLDC. Khi ứng dụng trong đề tài bộ điều khiển tốc độ sẽ được thay thế bằng bộ điều khiển góc nghiêng.
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
3.3. Mô hình mô phỏng bằng Matlab Simulink 3.3.1. Sơ đồ mô phỏng tổng thể 3.3.1. Sơ đồ mô phỏng tổng thể
Hình 3.10. Sơ đồ điều khiển dòng điện pha
3.3.2. Khối mạch nghịch lƣu - khối đo lƣờng - động cơ
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
Hình 3.12. Khối đo lường
3.3.3. Khối Hall Decoder
Dựa vào vị trí rotor ( theo vị trí Hall ) , xác định dòng điện động cơ dẫn theo pha nào ,dẫn theo chiều nào .
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
3.3.4. Khối điều khiển dòng điện HCC
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
3.4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Mô phỏng động cơ với sơ đồ trình bày trong hình 3.10 và tham số trong bảng P1.1
3.4.1. Kết quả trên phần mềm mô phỏng Matlab Simulink
Hình 3.15. Dòng điện pha A không điều khiển.
Đặt dòng đặt I* = 3.4 A
Hình 3.16. Dòng điện pha A có điều khiển.
Nhận xét:
Kết quả mô phỏng cho thấy dòng đo về bám với lượng đặt. Mục tiêu điều khiển dòng điện đã đạt được. 0.25 0.255 0.26 0.265 0.27 0.275 0.28 0.285 0.29 0.295 0.3 -4 -2 0 2 4 Time(s) D o n g d ie n ( A )
Dong dien pha A khong dieu khien
Dong pha a 0.6 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.7 -4 -2 0 2 4 Time(s) D o n g d i e n ( A )
DONG DIEN PHA A
Dong dien dat Dong do
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
3.4.2. Kết quả thực nghiệm
a). Chạy động cơ không điều khiển
Hình 3.17. Dòng điện thực nghiệm pha A không điều khiển.
b). Chạy động cơ có điều khiển
Chương 3. Điều khiển động cơ phát động
Nhận xét:
Dải trễ được đặt là 0.15A, dòng điện đặt là 6A. Ta nhận thấy bộ điều khiển đã cắt được giá trị dòng điện trong khoảng 6A. Tuy nhiên bộ điều khiển lại cắt tới khi dòng điện gần bằng 0A mới đóng lại do tần số trích mẫu hiện tại là chưa đủ để thực hiện kịp ( 16KHz). Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển là cần phải tăng tần số trích mẫu lên nữa.
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Chƣơng 4
TRIỂN KHAI PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
Chương này giới thiệu về mô hình thực nghiệm của chiếc xe một bánh tự cân bằng đã giới thiệu trong chương 1.
4.1. Triển khai phần cứng 4.1.1. Động cơ
Như đã trình bày trong chương 3, động cơ được sử dụng trong mô hình thực nghiệm là loại động cơ một chiều không chổi than BLDC dùng cho xe điện. Động cơ là loại Hub-Motor có Rotor nằm ngoài Stator. Động cơ có công suất 1200W, điện áp định mức 60V. Động cơ có 24 cặp cực, đầu vào là 3 dây pha, đầu ra là 3 dây tín hiệu Hall do cảm biến Hall bên trong phát ra. Bánh xe và động cơ được thể hiện trong hình 4.1 bên dưới.
Hình 4.1. Động cơ BLDC
4.1.2. Mạch động lực
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Hình 4.2. Mạch động lực
Động cơ có công suất 1200W ,dòng định mức 20A. Đ ộng cơ BLDC được điều khiển theo chế độ 2 van dẫn do đó tại mỗi thời điểm chỉ có 2 van cùng dẫn: 1 van ở phía High Side, 1 van ở phía Low Side. Vì vậy mỗi van sẽ dẫn trong một phần ba chu kì điện tức là 1200 điện. Dòng điện trung bình qua van là:
Giả thiết hệ số dòng khởi động là 2.5, van được làm mát tự nhiên bằng cánh tản nhiệt. Ta chọn hệ số dữ trữ dòng cho van là 5, ta có dòng làm việc cho van cần chọn là:
Trong quá trình thử nghiệm xe được chạy ở điện áp 24V cấp từ ắc quy. Từ sơ đồ nguyên lý ta có thể thấy khi 1 trong 2 van trên cùng một nhánh dẫn thì van còn lại sẽ có điện áp đặt lên là 24V. Do đó ta có thể chọn van loại MOSFET IRF3205 có các thông số như sau Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của IRF3205 IRF3205 (4.1) (4.2)
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Một thành phần quan trọng nữa của mạch động lực đó là tụ C. Tụ đóng vai trò hút và phát dòng điện ngay lập tức khi các van đóng cắt [19]. Tụ này còn giúp giảm sự tấn công lên MOSFET khi dòng điện bị cắt đột ngột [20].Công thức tính chọn tụ được đề cập đến trong tài liệu [19]. Ở đây ta chọn tụ có dung lượng .
Ở trên ta đã chọn được van phù hợp với mạch động lực. Công việc tiếp theo chúng ta cần phải thiết kế mạch lái cho MOSFET của mạch động lực.
4.1.3. Mạch lái(Driver)
Do tất cả MOSFET được sử dụng trong mạch động lực là loại N-Channel nên để có thể mở được van phía High Side ta cần phải sử dụng kỹ thuật Boostrap. Ở trong đồ án này sử dụng loại IC lái chuyên dụng đã tích hợp sẵn kỹ thuật này. Đó là IC IR2103 của hãng International Rectifier. Sơ đồ mạch lái được mắc như hình 4.3
Hình 4.3. Mạch lái cho MOSFET
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Các thành phần của mạch cần phải được xác định ở đây bao gồm: diode boostrap , tụ Boostrap , điện trở cực Gate .
Tụ Boostrap và diode Boostrap được chọn theo công thức [21]:
( ) 2.[2. g qbs max ls cbs leak ] b cc f ls min I I Q Q f f C V V V V
Ở đây là điện tích cần nạp cho cực Gate, là giá trị của dòng điện dò của tụ boostrap, f là tần số hoạt động, là điện áp nguồn cung cấp cho IR2103, là điện áp rơi trên diot boostrap khi nó dẫn, là điện áp rơi trên van dưới(Low Side), là điện áp nhỏ nhất giữa B và S. Theo như chú ý của tài liệu [21] giá trị tụ boostrap sau khi tính xong cần nhân thêm 15 lần nữa. Trong đồ án này ta chọn .
Diode Boostrap phải là loại có khả năng phục hồi nhanh để giảm tối thiểu dòng trả ngược về nguồn Vcc từ tụ boostrap khi van High Side dẫn. Đồng thời diode này cũng phải có khả năng khóa hoàn toàn điện áp nguồn. Diode được chọn trong đồ án là loại 1N4148 có khả năng chịu điện áp ngược tới 100V, thời gian phục hồi là 4ns
4.1.4. Mạch điều khiển
Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển dsPIC4011 làm nhiệm vụ điều khiển động cơ để duy trì sự cân bằng cho xe. dsPIC4011 có lõi DSP cho phép tính toán xử lý ở tốc độ cao đồng thời lại có giá thánh rẻ.
dsPIC4011 có thể đạt tới tốc độ tính toán 30MIPS
Khối MCPWM có 6 đầu ra đồng thời có thanh ghi OVDCON rất phù hợp với việc điều khiển động cơ BLDC. Ngoài ra MCPWM còn có khả năng trigger sang ADC cho phép ta có thể trích mẫu dòng điện đồng bộ với PWM. Nhờ đó ta có thể thu được giá trị dòng điện chính xác nhất.
Khối ADC có tốc độ nhanh,có khả năng trích mẫu nhiều kênh tại một thời điểm phù hợp với việc trích mẫu dòng điện, cảm biến vận tốc góc gyroscope và cảm biến gia tốc accelerometer.
Khối UART có 2 module cho phép ta có thể sử dụng để debug chương trình và hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển một cách dễ dàng.
Khối CN cho phép ta có thể dò được tín hiệu của cảm biến HALL từ đó xác định được vị trí để đưa ra bảng đóng cắt phù hợp.
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Từ việc sử dụng các khối ngoại vi như ở trên, mạch điều khiển được xây dựng để phục vụ các công việc đó. Sơ đồ nguyên lý các khối trong mạch điều khiển được trình bày trong hình vẽ 4.5.
Hình 4.5. Mạch điều khiển
4.1.5. Mạch nguồn
Vi điều khiển sử dụng nguồn cung cấp 5VDC, mạch lái sử dụng nguồn 12VDC. Do vậy nhóm sử dụng IC LM2576-12V có dòng cung cấp lên đến 3A để đảm bảo đủ công suất cho mạch driver và mạch điều khiển. Nguồn 5V được lấy từ IC LM7805.
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Hình 4.6. Mạch nguồn
4.1.6. Mạch phản hồi dòng điện
Trong đồ án sử dụng phương pháp điều khiển dòng tổng, do đó ta chỉ cần sử dụng một cảm biến. Cảm biến được sử dụng ở đây là loại ACS712-30A hiệu ứng HALL có khả năng đo dòng điện lên tới 30A. Một số thông số của ACS712 được đề cập đến dưới đây.
Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của ACS712-30A ACS712-30A
Dòng điện đo được A
Cách ly về điện 2.1 kV
Tần số hoạt động 80 Khz
Điện áp đầu ra 0 - 5 V
Nhiệt độ làm việc -40 150 0C
Chương 4. Triển khai phần cứng và phần mềm
Hình 4.7. Mạch cảm biến ACS712-30A