Bộ điều khiển QSKBS48181E
Loại điều khiển Sóng hình sin
Điện áp hoạt động 24 – 48V ( tối đa 60V)
Cơng suất 2000W
Dịng điện chịu được tối đa (20s) 200A Dòng điện hoạt động liên tục 110A
Hỗ trợ cảm biến Hall có
2.1.5.3. Bộ cảm biến Kelly QSKBS72181E
Hình 2.16. Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E. Bảng 2.11. Thông số bộ điều khiển QSKBS72181E. Bảng 2.11. Thông số bộ điều khiển QSKBS72181E.
Bộ điều khiển Kelly QSKBS72181E
Loại điều khiển Sóng hình sin
Điện áp hoạt động 24 – 72V (tối đa 90V)
Cơng suất 2000W
Dịng điện chịu được tối đa (20s) 200A Dòng điện hoạt động liên tục 110A
Hỗ trợ cảm biến Hall có
Hình 2.17. Bộ điều khiển Votol EM100. Bảng 2.12. Thông số bộ điều khiển Votol EM100. Bảng 2.12. Thông số bộ điều khiển Votol EM100.
Bộ điều khiển Votol EM100
Loại điều khiển Sóng hình sin
Điện áp hoạt động 48 – 72V ( tối đa 90V)
Cơng suất 2000W
Dịng chịu được tối đa (20s) 330A Dòng hoạt động liên tục 100A
Hỗ trợ cảm biến Hall có
Sau khi khảo sát các bộ điều khiển BLDC trên, nhóm chúng tơi quyết định chọn bộ điều khiển Votol EM100 để điều khiển động cơ BLDC QS – motor 205 50H V2. Với các đặc tính
đặc biệt như dễ dàng kết nối, có thể tương tác và lập trình với nhiều loại động cơ, cùng với chi
phí hợp lý, bộ điều khiển Votol EM100 là lựa chọn tối ưu nhất. [5]
2.1.6. Giới thiệu bộ điều khiển Votol EM100 2.1.6.1. Sơ đồ hệ thống dây 2.1.6.1. Sơ đồ hệ thống dây
Hình 2.18. Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển.
Hình 2.19. Các chân kết nốt của bộ điều khiển. Bảng 2.13. Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển. Bảng 2.13. Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển.
Cổng kết nối chính
Chân Chức năng Dải điện áp
1 Tay ga 5V
2 Chân nối đất của tay
ga 0V 3 Tín hiệu tay ga 0 – 5V 4 Tốc độ thấp 0 – 5V 5 0 – 5V 6 0 – 5V
7 ISDN 0 – 5V
8 Tín hiệu phanh ( cao) 0 – 12V
9 Khóa điện 40V (B+) 10 CAN L 0 – 5V 11 CAN H 0 – 5V 12 Số lùi 0 – 5V 13 Tốc độ cao 0 – 5V 14 Chân nối đất 0V
15 chân khuếch đại 0 -5V
16 Tín hiệu phanh (thấp) 0 – 5V
Kết nối cảm biến Hall
Hình 2.20. Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển với cảm biến Hall.
Hình 2.21. Các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall. Bảng 2.14. Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall. Bảng 2.14. Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với cảm biến Hall.
Chân kết nối cảm biến Hall
Chân Chức năng Dải điện áp
2 Hall B 0 – 5V
3 Hall C 0 – 5V
4 Chân dương cảm biến Hall 5V
5 Chân cảm biến nhiệt độ 0 – 5V
6 Chân nối đất của cảm biến Hall 0 – 5V
Kết nối bộ chống trộm
Hình 2.22. Sơ đồ kết nối chân của bộ điều khiển với bộ chống trộm.
Hình 2.23. Các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm. Bảng 2.15. Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm. Bảng 2.15. Thông tin các chân kết nối của bộ điều khiển với bộ chống trộm.
Chân kết nối bộ chống trộm
Chân Chức năng Dải điện áp
1 Chân nối đất 0V 2 JTCK 0 – 5V 3 SWD 0 – 5V 4 5V đầu vào 0 – 5V 5 Chân dương B+ 6 Khóa điện tử bộ chống trộm 40V ( B+) 7 Tín hiệu độ ẩm 0V (B+) 8 tín hiệu bộ chống trộm 0 – 5V
2.1.6.2. Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với động cơ và máy tính
Hình 2.24. Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với động cơ và máy tính.
2.1.6.3. Phần mềm Debugging ( chỉ hỗ trợ cho win 7/10)
Cách kết nối với động cơ và sử dụng:
- Cấp nguồn cho bộ điều khiển và kết nối với máy tính, sau đó chọn port’s name và bấm “open”.
- Sau khi bấm open, phần mềm sẽ xuất hiện trạng thái như hình 2.24. Tiếp theo nhấn nút “connect”, phần mềm sẽ đọc và nhận biết các tính chất của động cơ. Tham số điện áp có thể thay đổi tùy ý nhờ vào sự hỗ trợ phần mềm của bộ điều khiển.
Hình 2.25. Giao diện sử dụng của phần mềm Debugging.
Điều chỉnh thông số điện áp cấp cho bộ điều khiển:
Thông số điện áp cấp có thể thay trong khoảng cho phép dưới sự hỗ trợ của bộ điều khiển. Nếu thông số điện áp cấp được điều chỉnh nằm ngoài khoảng cho phép của bộ điều khiển thì khi cấp nguồn cho bộ điều khiển sẽ dẫn đến hư hỏng.
Hình 2.26. Giao diện điều chỉnh thông số điện áp cấp. Thiết lập cài đặt cho động cơ: Thiết lập cài đặt cho động cơ:
- Motor pole pairs: chọn đúng số cặp cực của động cơ để có thể thu được giá trị tốc độ chính xác.
- Motor type: chọn đúng loại nam châm của động cơ cho động cơ ( đối với động cơ Wheel Hub của nhóm sẽ chọn “surface mount”).
- Hall shift: chọn góc lệch pha trong khoảng ( -1800 – 1800 ) cho bộ điều khiển và điều chỉnh lại pha của động cơ.
Hình 2.27. Giao diện thiết lập cài đặt cho động cơ. Hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển: Hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển:
Hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển giúp người sử dụng dễ dàng quan sát được tình hình hiện tại thực tế của bộ điều khiển.
Hình 2.28. Giao diện hiển thị trạng thái làm việc của bộ điều khiển.
2.2. Giới thiệu động cơ BLDC
Động cơ một chiều (DC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích
hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than nên vận hành kém tin cậy và an tồn trong mơi trường dễ cháy nổ và người dùng phải thường xuyên bảo trì , bảo dưỡng. Chính vì thế động cơ một chiều khơng chổi than ra đời nhằm hạn chế những nhược điểm của động cơ một chiều. Động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là Brushless DC Motor ( động cơ một chiều không chổi than/ động cơ BLDC).
Hình 2.29. Cấu tạo của động cơ DC và động cơ BLDC. So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường (DC) So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường (DC)
Hình 2.30. Động cơ điện một chiều DC và BLDC.
Mặc dù mọi người thường nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và động cơ DC là giống nhau, nhưng trên thực tế chúng có những khác biệt đáng kể trên những khía cạnh nhất
định. Bảng 2.16 sau đây, so sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ này. Khi nói về chức
năng của động cơ điện, cần phải nhớ đến ý nghĩa của dây quấn và sự chuyển đổi chiều. Sự
chuyển đổi chiều là q trình biến đổi dịng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dịng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ một chiều thông thường, sự chuyển đổi chiều được thực hiện bởi cổ góp và chổi than.
Ngược lại ở động cơ điện một chiều không chổi than, sự chuyển đổi chiều được thực hiện
bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, IGBT. Bảng 2.16. So sánh động cơ BLDC với động cơ DC.
Nội dung Động cơ DC Động cơ BLDC
Cấu trúc cơ khí Mạch kích từ nằm trên stato.
Tính năng đặc biệt Đáp ứng nhanh dễ dàng điều khiển.
Đáp ứng chậm hơn. Dễ bảo
dưỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng).
Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn.
Đơn giản nhất là nối tam
giác Δ
Cao áp: 3 pha nối Y hoặc Δ . Bình thường : dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối
đất hoặc 4 pha.
Đơn giản nhất nối 2 pha.
Phương pháp đổi chiều Tiếp xúc cơ khí giữa chổi
than và cổ góp. Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn như transitor,MOSFET,… Phương pháp xác định vị trí
rotor
Tự động xác định bằng
chổi than. Sử dụng cảm biến vị trí: phần tử Hall hoặc cảm biến quang học.
Phương pháp đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn (
cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ). Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic. Tuổi thọ Thấp Cao Gia thành Thấp Cao
Hiệu suất Trung bình Cao
Nhiễu điện Thấp Cao
Từ bảng 2.16 ta nhận thấy rằng ưu điểm mà động cơ một chiều không chổi than mang
lại đảm bảo sự an toàn, đáp ứng được nhu cầu mà động cơ DC khơng thể có. Ngồi ra động cơ cịn có thể hoạt động với vận tốc cao, vận hành êm và hiệu suất cao hơn.
Hình 2.31. Các phần cơ bản của động cơ BLDC.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay
chiều ( động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu). Hình 2.16 sau đây là một ví dụ chung cho các động cơ điện một chiều khơng chổi than điển hình.
Hình 2.32. Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ.
Động cơ BLDC được điều khiển thông qua các cảm biến vị trí ( phần tử Hall hoặc quang
học) để xác định vị trí cảu rotor nhằm tạo ra các tín hiệu đưa về bộ chuyển đổi để điều khiển phản ứng. Động cơ BLDC có các cảm biến có thể thay đổi chiều quay của động cơ theo vị trí của rotor.
Stator: là từ mượn từ tiếng Anh ( gốc từ Stationary: đứng yên) chỉ phần đứng yên, phần
đứng, phần không chuyển động của một hệ thống máy quay và phần ngược lại là Rotor.Khác
với động cơ điện một chiều thông thường, Stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn có thể là 2 pha, 3 pha hay nhiều pha nhưng thường là 3 pha.
Hình 2.33. Stator của động cơ BLDC.
Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của Stator. Theo truyền thống cấu tạo
Stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, cách bối dây được phân bố theo cách khác. Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây Stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau này mà tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ BLDC hình sin và động cơ BLDC hình thang. Dịng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang. Điều này làm cho mơ – men của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục. Cịn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng đặc tính mơ – men lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.
Hình 2.34. Các dạng sức điện động của động cơ.
Động cơ một chiều khơng chổi than thường có cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha. Tương ứng với các loại đó thì Stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào khả năng cấp công
suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỉ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ… Các động cơ trên 100V được dùng
trong các thiết bị cơng nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp.
2.2.1.2. Rotor
Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt Rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính của Rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có
dạng hình trụ rỗng.
Rotor được cấu tạo từ các thanh nam châm vĩnh cửu. Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau.
Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp được
chọn tương ứng. Nam châm Ferrite thường được sử dụng. Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm Ferrite rẻ hơn nhưng mật độ từ trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi đó, vật liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của Rotor nhưng vẫn đảm bảo được mơ – men đầu ra. Do đó, với cùng thể tích, mơ – men của Rotor có nam châm hợp kim ln lớn hơn rotor có nam châm Ferrite.
2.2.1.3. Cảm biến Hall (Hall sensor)
Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển động 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 pha. Tức là tại một thời điểm thì khơng 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 xác định 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 khơng 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 lúc này sẽ gửi tín hiệu cao hoặc thấp ứng với 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 dịng
điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm
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 thể đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879.
Hình 2.36. Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang.
Trên hình 2.36 là mặt cắt ngang của động cơ một chiều khơng chổi than với Rotor có các nam châm vĩnh cửu. Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng yên của động cơ. Việc đặt cảm biến Hall trong Stator là quá trình phức tạp vì bất cứ một sự mất cân đối sẽ dẫn đến việc tạo ra một sai số trong việc xác định vị trí Rotor. Để đơn giản quá trình gắn cảm biến lên Stator, một vài động cơ có các nam châm phụ của cảm biến Hall được gắn lên Rotor. Đây là phiên bản thu nhỏ của nam châm trên Rotor. Do đó, mỗi khi Rotor quay, các nam châm cảm biến Rotor đem lại hiệu ứng tương tự như của nam châm chính. Các cảm biến Hall thông thường
được gắn trên mạch in và cố định trên nắp đậy động cơ. Điều này cho phép người dùng có thể điều chỉnh hồn toàn việc lắp ráp các cảm biến Hall để căn chỉnh với nam châm Rotor, đem lại
khả năng hoạt động tối đa.
Dựa trên vị trí của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến. Các cảm biến Hall có thể được
đặt dịch pha nhau các góc 600 hoặc 1200 tùy thuộc vào số cặp cực. Dựa vào điều này, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch mà cần phải thực hiện trong quá trình
điều khiển động cơ.
Các cảm biến Hall cần được cấp nguồn. Điện áp cấp có thể từ 4 – 24V. Yêu cầu dòng từ 5 – 15mA. Khi thiết kế bộ điều khiển, cần để ý đến đặc điểm kỹ thuật tương ứng của từng loại