Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển của động cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất.
Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự. Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà phụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều quan trọng là cần phải biết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện.
Vị trí của rotor được đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong stator. Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến Hall đặt ẩn bên trong stator ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ.
Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến.
Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định. Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall. Đó là “khi
có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn”.
Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường. Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn. Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879.
Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ
2.1.1. Ưu điểm của động cơ điện
Trong tương lai xe điện sẽ trở thành phương tiện giao thông chính. Xe điện góp phần cho thế giới xanh hơn. Vì vậy xe điện sẽ mang lại nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với động cơ đốt trong truyền thống. Động cơ điện không sử dụng nhiên liệu đốt (xăng, dầu) vì vậy nó không thải khí carbonic, chất độc hại, nên không gây ô nhiễm môi trường.
Khả năng đáp ứng Mô-men nhanh và chính xác (nhanh hơn khoảng 100 lần so với động
cơ đốt trong, theo báo cáo của Power Electronics Conference 2010). Kích thước động cơ
nhỏ, ít tỏa nhiệt. Có thể dễ dàng tính toán chính xác Mô-men của động cơ điện bằng cách đo đạc các thông số về dòng điện và điện áp của động cơ điều rất khó thực hiện với động cơ đốt trong truyền thống.
Thực tế ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, ô tô điện là một công nghệ đang rất nóng và đang được xem là bước chuyển mình nhằm thay đổi nền công nghiệp ô tô toàn cầu. Các công trình nghiên cứu về các loại ô tô điện ở Việt Nam và trên thế giới nhìn chung rất phong phú, cùng với đó là sự đa dạng về nguồn linh kiện – thiết bị đã làm cho giá thành đối với loại động cơ này dần trở nên hợp lí.
2.1.2. Chọn loại động cơ
Nói đến động cơ điện thì chắc chắn sẽ có rất nhiều loại, từ công nghiệp, in ấn, y học... đều sử dụng động cơ điện. Chắc chắn rằng loại động cơ điện sử dụng cho ô tô điện phải mang một đặc trưng nào đó để đáp ứng tốt đối với mọi tình huống sử dụng xe.
Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từ khoảng 30 kW cho tới 100 kW và hơn thế nữa. Với công suất này, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp, khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng tự trọng của xe (khối lượng), dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đường đi được mỗi lần nạp điện (một thông số rất quan trọng của ô tô
Dải điều chỉnh tốc độ:
Xe ô tô thông thường có dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150 km/h và con số này sẽ lớn hơn rất nhiều đối với các dòng xe thể thao, điều này đòi hỏi động cơ phải hoạt động trong một dải tốc độ rất rộng.
Đặc tính làm việc.
Ta biết rằng, khi ô tô khởi động và chạy ở tốc độ thấp, Mô-men sinh ra cần phải lớn, khi xe chạy ở tốc độ cao thì chỉ cần Mô-men nhỏ. Động cơ điện có hai vùng làm việc:
Vùng I: dưới tốc độ cơ bản (vùng Mô-men không đổi). Vùng II: trên tốc độ cơ bản (vùng công suất không đổi).
Hình 2. 1 So sánh đặc tính làm việc của động cơ điện
Động cơ trong công nghiệp làm việc ở vùng I nhiều hơn vùng II. Trong khi đó, đặc tính của vùng II lại phù hợp với đặc tính làm việc nêu trên của ô tô điện. Từ yêu cầu về đặc tính hoạt động như trên, ta có thể khoanh vùng các loại.
2.1.2.1. Động cơ một chiều (DC Motor)
Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ điều khiển.
Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển, động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc độ, Mô-men.
Hình 2. 3 Động cơ điện 1 chiều
Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp, chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không phù hợp với điều kiện nóng ẩm, bụi bặm. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ khác.
2.1.2.2. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)
Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo. Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết.
Hình 2. 4 Động cơ không đồng bộ
Nhược điểm của động cơ IM là có hiệu suất thấp.
Các hãng xe của Hoa Kỳ như GM phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do là xe ở Mỹ chủ yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách dài, đường trong đô thị cũng rộng và thoáng; khi đó động cơ IM sẽ phát huy được tối đa hiệu suất của mình, tổn thất không lớn.
Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ, hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ. Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ IM sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần nạp ắc quy.
2.1.2.3. Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor - SynRM)
Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau như ta thấy trên hình dưới. Cấu trúc này khiến cho từ trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh ra Mô-men từ trở làm động cơ quay.
2.1.2.4. Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM)
Động cơ SRM có cấu tạo của rotor và stator đều có dạng cực lồi, trên stator có dây quấn tương tự như dây quấn kích từ của động cơ một chiều, rotor chỉ là một khối sắt, không có dây quấn hay nam châm. Với cấu tạo đặc biệt này, SRM rất bền vững về cơ khí, cho phép thiết kế ở dải tốc độ rất cao, lên tới hàng chục nghìn vòng / phút.
Nguyên lý hoạt động của động cơ như sau: các dây quấn stator được kích từ lần lượt
(gần giống động cơ bước – stepping motor), lực từ trường tác dụng lên rotor làm nó quay
từ vị trí có từ trở lớn nhất (vị trí lệch trục) đến vị trí có từ trở nhỏ nhất (vị trí đồng trục). Mạch từ động cơ làm việc trong cả vùng tuyến tính và vùng bão hòa nên ta có thể sử dụng tối đa khả năng của vật liệu từ, do vậy động cơ SRM có tỉ lệ công suất trên khối lượng
(kích thước) lớn.
Động cơ SRM cũng có những nhược điểm làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó. Nguyên lý vận hành đơn giản, nhưng lại khó điều khiển với chất lượng cao vì có nhấp
nhô Mô-men (torque ripple) lớn, đặc biệt là trong thời gian chuyển mạch.
Mặt khác, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn cho việc điều khiển và thiết kế động cơ.
Những nhược điểm này đang được nghiên cứu, nếu khắc phục thành công sẽ mở ra các hướng ứng dụng rộng rãi cho SRM, cả trong công nghiệp và lĩnh vực ô tô điện.
Hình 2. 6 Động cơ từ trở thay đổi
2.1.2.5. Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor – BLDC)
Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-
EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có
dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán).
Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh Mô-men cao, hiệu suất cao. Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác định vị trí của Rotor.
Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô Mô-men lớn, xuất hiện 6 xung Mô-men trong 1 chu kì, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô Mô-men.
Hình 2. 8 Đồ thị thể hiện độ nhấp nhô Mô-men của động cơ BLDC
2.1.2.6. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent Magnet Motor – IPM motor)
Động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng dụng cho ô tô điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh Mô-men từ trở.
(Reluctance Torque) cộng thêm vào Mô-men vốn có do nam châm sinh ra (Magnet Torque). Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh Mô-men rất cao, đặc biệt phù
hợp cho ô tô điện.
Mặt khác, động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ, làm việc tốt ở vùng II như đã phân tích trên. Động cơ IPM được sử dụng cho xe Nissan Leaf – ô tô điện được biết đến nhiều nhất hiện nay. Cùng với đó là mẫu xe MiEV (Mitsubishi innovative Electric Vehicle) và MIEV
(Mitsubishi In-wheel Electric Vehicle) của hãng ô tô Nhật Bản Mitsubishi.
Hình 2. 10 So sánh cấu trúc của động cơ SPM và IPM
Hình 2. 11 Đặc tính Mô-men vủa động cơ IPM
Dựa trên các phân tích trên, ta dễ dàng nhận thấy có 02 dạng động cơ tối ưu là BLDC và IPM, tuy nhiên ở Việt Nam nói riêng thì động cơ IPM vẫn chưa thực sự phổ biến và giá thành khá cao.
Do đó nhóm em chọn loại động cơ BLDC dùng làm động cơ điện chính sử dụng cho đề tài, vì động cơ BLDC có tính phổ biến, giá thành hợp lý, ở Việt Nam thường sử dụng cho xe đạp điện.
2.1.3. Động cơ In-Wheel
Động cơ In - Wheel (hay còn gọi là Active – wheel) là dạng động cơ đặt cùng một khối với bánh xe, đơn cử dễ thấy nhất chính là bộ HUB BLDC mà các xe đạp điện/xe máy điện hiện nay đang sử dụng rất phổ biến.
Ưu điểm dễ thấy nhất chính là về hiệu suất, hay chính xác hơn là mức hiệu suất bị thất thoát trong quá trình truyền công suất giảm đi rất nhiều khi so với các dạng bố trí động cơ truyền thống.
Đối với một mẫu xe sử dụng in – wheel motor, các dạng truyền công suất truyền thống như đai, xích, bánh răng, trục Các-đăng... đều bị loại bỏ, chỉ còn duy nhất đường truyền công suất trực tiếp từ motor đến bánh xe mà thôi.
Bên cạnh đó, cơ chế điều khiển độc lập từng bánh xe cũng giúp chiếc xe trở nên linh hoạt hơn khi di chuyển. Toàn bộ các cơ chế vận hành sẽ được điều khiển bằng điện tử (Drive-by-wire) cho phép mỗi bánh xe có thể chuyển động ở một góc riêng mà không nhất thiết cần đến sự can thiệp của hệ thống lái.
Thiết kế motor nằm trong bánh cũng tạo ra nhiều không gian trống trong xe, cho phép thiết kế các hệ thống khác tối ưu hơn.
Khi kết hợp in – wheel motor với BLDC mà ta thường thấy dưới dạng HUB Motor của các dòng xe đạp điện cho ta kết quả là một dòng motor cực kì nhỏ gọn và bền bỉ, ít hư hỏng và vô cùng linh hoạt trong quá trình tháo lắp.
Hình 2. 12 Động cơ BLDC trang bị cho xe điện
Tuy nhiên, khi tiến hành nghiên cứu sâu và lắp đặt loại motor này lên xe, nhóm đã ghi nhận được những khó khăn cần giải quyết như sau:
Thiết kế các hệ thống phanh đĩa thủy lực, hệ thống treo ở 02 bánh xe phía sau. Rút căm cho motor để kết hợp với vành nhôm 18 inch.
Điều khiển độc lập 2 động cơ BLDC ở 2 bánh xe sau. Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho toàn bộ xe. Thiết kế phần khung (chassis).
2.2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐIỀU KHIỂN
2.2.1. Nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ vi sai điện tử
Trên thực tế có rất nhiều thuật toán để để điều khiển nhưng dù có là thuật toán như thế nào đi nữa thì những lý thuyết mấu chốt luôn được đề cập đến bao gồm:
Khi xe chạy thẳng hai bánh xe phải quay với cùng tốc độ.
Khi xe quay vòng: hai bánh phải khác tốc, tốc độ bánh ngoài vòng cua sẽ lớn hơn bánh trong.
Với sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, cùng với sự nghiên cứu tài liệu nhóm quyết định nghiên cứu và xây dựng thuật toán như sau:
Hai bánh xe được dẫn động bởi hai mô tơ điện. δ góc lái khi xe quay vòng.
dw khoảng cách giữa hai bánh trên cùng trục bánh. ωr, ωl tốc độ góc giữa bánh phải và bánh trái. Lw chiều dài cơ sở của xe.
Chú thích:
Hình (a) cấu trúc quay vòng Hình (b) khối điều khiển
Tốc độ được tính bởi công thức: 𝑣𝐿 = 𝜔𝑣(𝑅 +𝑑𝜔
2 ) (1) 𝑣𝑅 = 𝜔𝑣(𝑅 −𝑑𝜔
2 ) (2) Công thức bán kính đường cong liên hệ chiều dài cơ sở và góc lái:
𝑅 = 𝐿𝜔
tan 𝛿 (3) Thêm (3) vào (1) và (2) ta được tốc độ góc tại mỗi bánh xe trái và phải:
𝜔𝑙 =𝐿𝜔 + 𝑑2 𝜔tan 𝛿 1 𝐿𝜔 𝜔𝑣 𝜔𝑟 =𝐿𝜔 −2𝑑𝜔 tan 𝛿 1 𝐿𝜔 𝜔𝑣
Sự khác nhau giữa tốc độ góc của mỗi bánh xe được biểu hiện bởi mối liên hệ: ∆𝜔 = 𝜔𝑙− 𝜔𝑟 =𝑑𝜔 ∙ tan 𝛿
𝐿𝜔 𝜔𝑣
Tín hiệu số của góc lái cho biết hướng đường cong δ > 0 → quay vòng phải
δ < 0 → quay vòng trái δ = 0 → đi thẳng
Khi xe bắt đầu quay vòng, bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu góc lái và điều khiển các bánh xe. Vi sai điện tử ngay tức thì giảm tốc độ bánh ở trong và tăng tốc bánh bên ngoài vòng cua. Tốc độ góc tương ứng với mỗi bánh:
𝜔𝑙 = 𝜔𝑣+∆𝜔
2
𝜔𝑟 = 𝜔𝑣 −∆𝜔 2
2.2.2. Thuật toán điều khiển PID