2.2.1. Ứng dụng chung
Động cơ BLDC nói chung có tiềm năng ở rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các lĩnh vực yêu cầu sự bền bỉ, và tính ổn định cao. Hơn nữa nhờ hiệu suất cao, gọn nhẹ, an toàn, động cơ không chổi than được dùng trong lĩnh vực vận chuyển như xe máy điện, ô tô điện di chuyển trong khu vực nhỏ; dùng trong lĩnh vực máy bay không người lái; hệ thống thông khí, giường nằm, xe lăn trong y tế; hệ thống lọc khí, bơm, quạt, máy móc trong quy mô gia đình và dụng cụ chung.
2.2.2. Ứng dụng trong lĩnh vực xe sử dụng động cơ đốt trong
Trong lĩnh vực trên, động cơ BLDC được áp dụng thường xuyên để tăng tuổi thọ, hiệu quả hoạt động của bộ phận sử dụng động cơ, giảm tiếng ồn. Có thể thấy motor BLDC ở một số hệ thống như: trợ lực lái điện, quạt làm mát động cơ, quạt dàn lạnh,...
Tuy nhiên, do nhược điểm là tốn kém về chi phí sản xuất nên hiện tại, ứng dụng của động cơ BLDC thường được chú trọng hơn vào các hệ thống sử dụng motor và hoạt động thường xuyên trên ô tô. Nếu có thể gạt qua nhược điểm về chi phí, BLDC sẽ lấn át hoàn toàn động cơ chổi than hiện tại, đem lại hiệu suất cao hơn cho ô tô.
Trên lý thuyết, động cơ BLDC có thể ứng dụng ở các hệ thống điện thân xe như hệ thống điều hòa, gạt mưa, khóa cửa, điều chỉnh ghế ngồi. Ở khâu truyền động và động cơ
ô tô, có thể thấy động cơ không chổi than ở hệ thống trợ lực lái điện, quạt làm mát động cơ, bơm nhiên liệu.
Hình 2.22. Ứng dụng động cơ BLDC vào các hệ thống trên xe
Để thấy rõ hơn về khả năng ứng dụng động cơ BLDC, ta sẽ tập trung làm một bộ phận quan trọng trên xe là bơm dung dịch làm mát động cơ. Ngày nay, bơm làm mát bằng điện trên xe ô tô đã được thiết kế, phát triển để bơm dung dịch làm mát, hoặc thậm chí chất chống đông các loại xe nói chung. Thông thường, bơm được chạy bằng motor BLDC 12V, 24V hoặc 48V. Đây là bộ phận quan trọng trong hệ thống làm mát trên ô tô, đặc biệt là hệ thống làm mát động cơ. Chất lượng cũng như hoạt động của bơm làm mát có tính chất quyết định đến quá trình làm việc của xe.
Nhờ có bộ điều khiển điện tử của động cơ BLDC đi kèm, việc kiểm soát bơm làm mát có thể làm được nhờ tín hiệu bên ngoài. Nhìn chung, điều trên tạo điều kiện để chúng ta điều khiển bơm làm mát một cách hiệu quả nhất. Một số vấn đề có thể xử lí và cải thiện như: điều khiển khởi động/dừng, điều khiển tốc độ, dòng môi chất, áp suất; ngoài ra ta còn có thể phòng chống bơm chạy khô, chống khóa rotor và các tính huống khác nhờ tính năng ưu việt của bơm làm mát dùng động cơ BLDC với bộ điều khiển. Bơm làm mát phổ biến dùng điều khiển PWM với giao tiếp CAN/LIN trên xe ô tô, ngoài ra còn có thể áp dụng nhiều phương thức giao tiếp khác.
Việc ứng dụng động cơ BLDC vào bơm làm mát có thể mang lại hiệu quả cao so với cách dùng bơm cơ khí dẫn động nhờ động cơ như thông thường. Một số ưu điểm có thể nhắc đến sau đây:
Bơm dùng động cơ BLDC có thể được điều khiển chính xác phù hợp với các khoảng hoạt động của động cơ và chế độ của xe. Ngoài ra, nó còn giúp thuận tiện trong quá trình thiết kế lắp đặt do không cần phải dẫn động từ động cơ nhờ dây đai. Đồng thời, tuổi thọ bơm cũng được tăng lên do tính chất nổi trội về hệ thống điện tử của động cơ BLDC.
Bơm làm mát sử dụng động cơ BLDC có thể giảm được năng lượng tiêu thụ, ít gây ảnh hưởng đến động cơ. Do hoạt động không cần động cơ dẫn động nên bơm làm mát dùng BLDC motor là bộ phận không thể thiếu trên xe điện.
Bơm cơ khí có một nhược điểm là khó có thể dừng lại do bơm được dẫn động bởi động cơ hoạt động liên tục khi mà môi chất không cần làm mát, ví dụ như ở thời tiết lạnh, mùa đông. Như vậy, hiệu quả làm mát tỉ lệ với tốc độ của động cơ và ở nhiều trường hợp, gây nên hao tổn năng lượng. Tuy nhiên, dùng động cơ BLDC, ta có thể khắc phục được điều này. Bơm có thể được điều khiển bật, tắt và hoạt động ở mức độ phù hợp với nhiệt độ môi chất làm mát.
Bơm làm mát dùng động cơ BLDC có thể khắc phục được tiếng ồn, nâng cao hiệu suất hoạt động, giảm hao phí truyền động cơ khí. Bên cạnh đó, kích thước và khối lượng được giảm xuống, thậm chí, lượng nhiên liệu sử dụng bởi xe còn được giảm xuống, cụ thể là chu trình lái NEDC (New European Driving Cycle, the European endurance test standard) giảm 2% lượng tiêu thụ năng lượng.
Bơm làm mát chạy bằng điện có khả năng tăng tốc quá trình hâm nóng động cơ, điều này rất cần khi xe khởi động lạnh, bằng cách giảm lưu lượng môi chất làm mát khi xe khởi động. Như vậy, động cơ xe nhanh nóng hơn, giúp giảm nhiên liệu tiêu thụ và khí thải của xe.
Ngoài ra, nguy cơ rò rỉ ở bơm làm mát chạy bằng điện được giảm đáng kể. Cụ thể, ở bơm cơ khí, gioăng được đặt để chống nước làm mát tiếp xúc, thông qua với nhớt bôi trơn. Đồng thời, gioăng cũng chịu tác động của trục bơm quay liên tục. So với động cơ
BLDC dùng cho bơm, tuổi thọ và độ tin cậy của chi tiết này kém hơn. Động cơ BLDC hoạt động dựa trên tương tác từ giữa rotor và stator, do đó ta không cần phải dùng gioăng để ngăn nước như loại cơ khí. Tuy phải dùng gioăng để ngăn nước với stator nhưng vì không phải là bộ phận chuyển động, tuổi thọ động cơ được tăng đáng kể.
2.2.3. Ứng dụng trong lĩnh vực xe điện
Khi nói đến lĩnh vực xe điện, điều đầu tiên có thể nhắc tới đó là đây là một mảng phát triển không thể tránh khỏi của các hãng xe trong thời gian tương lai khi mà Trái Đất đang đối mặt với các vấn đề môi trường liên quan đến nhiên liệu hóa thạch. Do các đặc điểm đặc thù của mình, các bộ phận trên xe điện thường là loại được điều khiển điện tử hoặc chạy bằng điện do không sử dụng động cơ đốt trong dẫn động. Vì vậy, động cơ không chổi than BLDC rất được ưa chuộng và có khả năng ứng dụng cao ở đây.
Đặc biệt, phải nói đến ở đây là việc sử dụng nó làm động cơ xe điện - bộ phận quan trọng nhất của xe. Tuy nhiên, công suất động cơ xe điện thường lớn hơn 1kW và nằm ngoài phạm vi đồ án tốt nghiệp này nên ở đây, ta chỉ đề cập một góc nhỏ của vấn đề này. Nhưng bên cạnh đó, cũng cần hiểu rõ rằng động cơ BLDC phải cạnh tranh với rất nhiều động cơ khác để có thể được ứng dụng đa số trên xe điện ngày nay, cụ thể là động cơ Induction Motor, động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ Pernament Magnet Synchronus, ... Nhờ các ưu điểm về mật độ công suất, hiệu suất, độ tin cậy, động cơ một chiều không chổi than đã và đang được sử dụng trên nhiều dòng xe ngày nay.
Ở các bộ phận, hệ thống còn lại, việc điều khiển, lắp đặt tuy có đôi chút khác biệt giữa hai dòng xe điện và xe thường. nhưng nhìn chung đều có phần tương đồng với nhau khi sử dụng động cơ BLDC.
2.3. Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC
Để điều khiển động cơ BLDC, có một số cách để chúng ta có thể lựa chọn. Trong đó, hai phương pháp có thể kể đến là phương pháp sáu bước (Six-step Commutation) hoặc phương pháp FOC (Field-oriented Control). Bên cạnh đó, cần chú ý rằng có hay không việc sử dụng cảm biến vị trí rotor sẽ là yếu tố mang tính quyết định đến phương pháp điều khiển. Cụ thể, việc dùng cảm biến có thể áp dụng cho cả hai cách điều khiển trên.
Nhưng ngược lại, rất khó để không dùng cảm biến khi điều khiển động cơ bằng phương thức FOC.
Trong phần này, ta sẽ đề cập tổng quan đến cả hai phương pháp điều khiển động cơ BLDC. Tuy nhiên, chúng ta cũng sẽ tập trung hơn vào cách điều khiển sáu bước (Six-step Commutation) vì đây là phương thức được lựa chọn ứng dụng vào phần cứng. Chi tiết hơn về việc lập trình, hoạt động và lí do lựa chọn cách điều khiển sẽ được đề cập cụ thể ở chương ba.
2.3.1. Phương pháp sáu bước (Six-step Commutation)
Trước tiên, về cách thức điều khiển sáu bước (Six-step Commutation), ở đây, vòng quay hoạt động của động cơ thường có thể được được cắt, chia thành sáu bước giống như tên gọi. Trong mỗi bước, một số vị trí linh kiện bán dẫn cụ thể được điều khiển mở để cấp điện cho stator. Trình tự các bước này còn được gọi là bước cấp điện (Commutation Step). Tùy thiết kế hoặc động cơ, ở một bước cụ thể, hai hoặc cả ba cuộn dây sẽ được cấp điện. Thông thường, với phương pháp này, chỉ hai cuộn được sử dụng một lúc. Điều này giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và mở ra khả năng điều khiển động cơ dựa vào sức phản điện động. Ngoài ra, cảm biến vị trí là phẩn tử không bắt buộc cần có trong hệ thống nếu như ta không muốn thiết kế sử dụng. Nhờ cuộn dây không được cấp điện, ta có thể dùng nó để thu thập tín hiệu sức phản điện động của động cơ, từ đó tính toán vị trí rotor. Tuy vậy, việc sử dụng hay không cảm biến có nhiều đặc điểm và phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau.
Vì đặc tính hình dạng của đường sức từ mà cách điều khiển này đôi khi còn được gọi là phương pháp hình thang (Trapezoidal Method). Với loại động cơ PMSM, đường sức từ có hình dạng khác là hình sin, và vài lúc được gọi tên tương ứng. Nhìn chung, đây sẽ là phương pháp được sử dụng để điều khiển phần cứng của đồ án. Lí do, quá trình sử dụng phương pháp này sẽ được nói rõ hơn ở chương sau.
2.3.2. Phương pháp FOC (Field-oriented Control)
Phương pháp FOC, hay còn gọi là phương pháp điều chế vector (Vector Control), là một phương pháp chủ yếu được áp dụng loại hình động cơ PMSM và động cơ AC. Với động cơ BLDC, phương pháp này đôi khi được cân nhắc sử dụng để mang lại những ưu điểm cho động cơ, phải nói đến đó là hiệu quả giúp tăng khả năng hoạt động và hiệu suất ở mọi dải tốc độ yêu cầu. Field Oriented Control thường được sử dụng để điều khiển tốc độ và moment, và đôi khi để điều khiển vị trí. Không có cuộn dây nào không được cấp điện ở bất kỳ giai đoạn nào trong chu kỳ quay động cơ. Điều này có nghĩa là ta bắt buộc phải sử dụng cảm biến để có thể cung cấp vị trí rotor cho động cơ. Hơn nữa, quá trình lập trình điều khiển cho phương pháp này là phức tạp và khó khăn hơn rất nhiều.
Tuy vậy, động cơ dùng phương pháp này sẽ không bị giật khi quay do tác động của việc điều khiển đứt quãng từng giai đoạn. Nếu ở cách sáu bước, moment động cơ dao động liên tục, và trở nên trầm trọng nhất ở vòng thay thấp thì ở đây, động cơ có thể hoạt động với moment ổn định liên tục. Bên cạnh đó, như đã nói, động cơ sẽ có khả năng hoạt động cao hơn rất nhiều. Lí do là nhờ khả năng giữ được từ trường các cuộn dây stator ở hướng và giá trị thích hợp, giúp rotor quay ổn định, giảm năng lượng tiêu hao.
2.4. Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ khối sau thể hiện khái quát chung nguyên lí hoạt động của mô hình đồ án. Trong đó, có ba bộ phận - khối chính chính là: Bộ điều khiển, bộ chuyển mạch và động cơ một chiều không chổi than.
Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ thống
Dựa vào sơ đồ khối trên, có thể thấy rõ việc điều khiển động cơ BLDC trong đề tài là phương pháp điều khiển vòng lặp kín. Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ, trong đó phải kể đến là vòng lặp kín và vòng lặp hở. Cụ thể, ở vòng lặp hở, không có tín hiệu từ động cơ được chuyển về bộ điều khiển. Vì vậy, có thể không cần sử dụng cảm biến vị trí. Tuy nhiên, khi có tác động ảnh hưởng đến động cơ ví dụ như vị trí rotor bị thay đổi ngoài ý muốn, bộ điều khiển sẽ rất khó để biết được. Từ đó, kết quả làm việc sẽ không được đảm bảo như mong muốn so với cách thức điều khiển vòng lặp kín. Đồng thời, việc này cũng hạn chế phạm vi ứng dụng của cách thức điều khiển trên.
Với vòng lặp kín, đây là phương pháp điều khiển được sử dụng phổ biến trên các động cơ điện nói chung dùng trong ô tô hiện nay. Sở dĩ như vậy là vì đây là cách điều khiển mang lại sự ổn định và đáng tin cậy trong nhiều trường hợp. Với các tín hiệu gửi về bộ điều khiển, chúng ta có thể lập trình để xử lí nhiều trường hợp ảnh hưởng đến động cơ mà cách còn lại khó có thể thực hiện được. Nhờ đó, hoạt động nói chung trở nên rất ổn định.
Ở khối đầu tiên, bộ điều khiển, nhiệm vụ quan trọng nhất của nó là gửi, đảm bảo tín hiệu để điều khiển chuyển mạch. Cụ thể hơn về các bộ phận trong khối này sẽ được nói
vị trí rotor gửi từ cảm biến gắn trên động cơ. Ngoài ra, còn có thể có các tín hiệu khác như tín hiệu cảm biến dòng điện. Từ đây, như đã nói, bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu phù hợp gửi đến khối tiếp theo - Bộ chuyển mạch.
Khối chuyển mạch bao gồm các linh kiện bán dẫn, cụ thể ở đây chính là 6 linh kiện MOSFET. Với sáu bước điều khiển dẫn, đóng các MOSFET này, động cơ sẽ hoạt động. Nguồn điện sẽ được cấp đến động cơ thông qua khối này. Đây cũng là khối mang đến sự khác biệt nếu ta so sánh với điều khiển ở động cơ một chiều có chổi than vì loại này sẽ không có bộ chuyển mạch điện tử. Với phần cứng được sử dụng ở đồ án, nguồn điện được cấp là nguồn một chiều 24V.
Khối tiếp theo của chu trình chính là động cơ ta cần điều khiển. Tùy thuộc vào phương pháp điều khiển, cấu tạo nó sẽ có phần khác biệt nhất định, đặc biệt là cảm biến vị trí rotor. Ta sẽ sử dụng động cơ kèm càm biến Hall, đây là cấu tạo phổ biến nhất trong lĩnh vực ô tô nói chung. Nhờ cảm biến Hall, tín hiệu vị trí rotor sẽ liên tục được gửi về bộ điều khiển. Tùy thuộc vào các động cơ nhất định, cảm biến có thể gắn ở trên stator cách nhau các góc nhất định hoặc gắn trên trục phụ ở rotor.
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ BLDC VỚI SIMSCAPE
Với Simscape, chúng ta có thể mô phỏng gần như hoàn toàn hệ thống điều khiển cũng như động cơ một chiều không chổi than. Trong chương này, chúng ta sẽ mô phỏng từng hệ thống quan trọng của động cơ BLDC để cuối cùng tổng hợp lại một model mô phỏng toàn diện đề tài.
3.1. Mô phỏng sức phản điện động của động cơ BLDC
Trong phần này, chúng ta sẽ kiểm tra đặc tính sức phản điện động hình thang của động cơ một chiều không chổi than bằng cách tạo một model mô phỏng đơn giản. Cụ thể, ta sẽ cố gắng quay trục động cơ và đo điện áp sinh ra ở một cuộn dây bất kỳ.
3.1.1. Sơ đồ model mô phỏng
Hình 3.1. Sơ đồ model
3.1.2. Thực hiện mô phỏng
Đầu tiên, ta lấy và sử dụng khối mô phỏng động cơ BLDC. Sau đó, chuyển khối này sang dạng Expanded three-phase ports bằng thao tác ấn chuột phải, chọn Simscape/Block choices/Expanded three-phase ports. Sau đó, ta có thể điều chỉnh thông số sao cho phù