Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Động cơ BLDC
2.1.5 Phƣơng pháp điều khiển bộ biến đổi điện tử
Trong ứng dụng điều khiển tốc độ có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển. Trong đề tài này ứng dụng động cơ BLDC thì ta chỉ xem xét ba phƣơng pháp cơ bản ứng dụng cho loại động cơ này mà nhiều nghiên cứu đã phân tích.
Bộ biến đổi dạng hình thang - sáu bƣớc
Hình 2.9 là một ví dụ về các tín hiệu của cảm biến Hall tƣơng ứng với sức phản điện động của động cơ và thứ tự đóng ngắt các khóa Q. Cứ mỗi khi quay đƣợc 600
điện, một cảm biến Hall lại thay đổi trạng thái. Nhƣ vậy, có thể thấy, nó cần 6 bƣớc để hoàn thành một chu kỳ điện. Đồng thời, cứ mỗi 600 điện, chuyển mạch dòng điện pha cần đƣợc cập nhật. Tuy nhiên, cũng chú ý là một chu kỳ điện có thể khơng tƣơng ứng với một vịng quay của rơto về cơ khí. Số lƣợng chu kỳ điện cần lặp lại để hồn thành một vịng quay của động cơ đƣợc xác định bởi số cặp cực của rôto. Một chu kỳ điện đƣợc xác đinh bởi một cặp cực rơto. Do đó số lƣợng chu kỳ điện trên một chu kỳ cơ bằng số cặp cực rơto.
Hình 2.10: Mạch tƣơng đƣơng cho hai chế độ hoạt động [9]
Dạng suất điện động đƣợc sinh ra là dạng hình thang. Phƣơng pháp này điều khiển tốc độ tốt. Điều khiển mômen hiệu quả ở tốc độ cao nhƣng tạo gợn sóng mơmen lớn ở tốc độ thấp. Ảnh hƣởng nhiễu rất quan trọng với các loại động cơ nguồn cao. Tuy nhiên, phƣơng pháp này rất phổ biến với các ứng dụng nhỏ khi việc hiệu chỉnh chính xác tốc độ và chất lƣợng động không yêu cầu quá cao.
Bộ biến đổi dạng hình sin
Bộ chuyển đổi sóng vng cần thiết phải có nhiều hơn hai tín hiệu điều khiển tại cùng một thời điểm. Điện áp mỗi pha là âm hay dƣơng chứ khơng có bằng zero hình 2.11. Vị trí phát hiện cảm biến Hall trong trƣờng hợp này khác với chế độ hình thang, có độ phân giải nhỏ hơn là 300
điện. Chế độ sóng vng này khơng phổ biến trong thực hành nhƣng nó là nền tảng hoạt động của phƣơng pháp sóng sin và khơng gian vector. Dạng điện áp sóng sin có thể đƣợc phát ra nếu bộ biến đổi sóng vng đƣợc điều chế độ rộng xung băng hình sin,cos cùng pha và tần số. Bộ biến đổi hình sin tạo suất điện động có dạng gần giống hình sin, độ gợn sóng mơmen rất nhỏ nhƣng yêu cầu độ phân giải cao của cảm biến hồi tiếp encoder hay resolver.
Hình 2.11: Chế độ hoạt động dạng sóng vng
Khi điện áp pha đƣợc điều khiển để hiệu chỉnh tốc độ hay mômen. Đáp ứng mơmen đƣợc trì hỗn bởi thời hằng Te=L/R của động cơ. Để đáp ứng thời gian của mômen nhanh hơn, chúng ta có thể tận dụng vịng kín điều khiển dịng điện hiệu chỉnh ngay lập tức. Các hệ thống yêu cầu chất lƣợng cao nhƣ hệ thống servo, vịng kín điều khiển dịng điện rất quan trọng bởi chất lƣợng vòng điều khiển tốc độ bên ngồi phụ thuộc vào chất lƣợng điều khiển dịng điện bên trong. Mặt khác, lợi ích điều khiển dịng điện giảm sự nhạy với các thành phần khơng tuyến tính (nhƣ thời gian đảo hay ma sát) và nhiễu. Hình 2.12 minh họa dịng điện hình sin lý tƣởng của bô biến đổi.
Bộ biến đổi điều khiển hƣớng từ trƣờng (FOC)
Phƣơng pháp FOC thích hợp cho các ứng dụng cao cấp do thiết kế phức tạp và yêu cầu xử lí cao hơn. Bộ biến đổi dùng phƣơng pháp này tính tốn vector dịng điện và điện áp dựa trên dịng điện và vị trí hồi tiếp. Phƣơng pháp này hiệu quả rất cao, tầm hoạt động rộng và điều khiển động rất chính xác tốc độ và mơmen. FOC điều khiển dịng điện stator bằng một khơng gian vector. Nó biến đổi dịng stator ba pha thành một phần phát từ thông và một phần phát mômen quay. Hai phần này đƣợc điều khiển định lƣợng độc lập. Sự sắp xếp bộ điêu khiển FOC gần giống nhƣ động cơ một chiều kích từ độc lập. Giản đồ khối đơn giản của FOC thể hiện trong hình 2.14.
Hình 2.13: Giản đồ khối đơn giản của FOC [9]
Biến đổi Clarke chuyển đổi hệ thống dạng sin ba pha (A,B,C) thành hệ thống biến đổi theo thời gian hai pha (α,β). Hệ tọa độ hai trục (d,q) hệ thống biến đổi theo thời gian đƣợc lấy từ biến đổi Park. Trong hệ thống này, từ thông phát ra từ rôto là thành phần d và phần phát ra mômen quay là q.
Điều chế vector không gian (SVM) cung cấp hiệu quả sử dụng điện áp bus hơn kỹ thuật điều chế độ rộng xung dạng sin (SPWM). Điện áp cao nhất dạng SVM cao hơn dạng SPWM khoảng 1.15 lần. SVM coi mạch điện nguồn nhƣ một thiết bị ảnh hƣởng tất cả sáu thiết bị chuyển mạch nguồn bởi vị nó đƣợc điều khiển bằng vector điện áp. Đặc tính ba phƣơng pháp điều khiển của bộ biến đổi BLDC đƣợc tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 2.2: Đặc tính các phƣơng pháp điều khiển bộ biến đổi BLDC [9]
Phƣơng pháp chuyển mạch
Điều khiển tốc độ
Điều khiển mômen Yêu cầu thiết bị hồi tiếp Độ phức tạp giải thuật Tốc độ thấp Tốc độ cao Dạng hình thang Tốt Độ gợn
mômen Hiệu quả Hall Thấp
Dạng hình sin Tốt Tốt Khơng hiệu quả Encoder, Resolver Trung bình FOC Tốt Tốt Tốt Cảm biến dòng điện, encoder Cao
Qua việc phân tích cấu tạo, hệ truyền động và phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC thì ta thấy điều khiển hình thang với 6 chuyển mạch bán dẫn là thích hợp nhất với loại động cơ BLDC vì đơn giản trong thực hiện và hiệu quả trong sử dụng. Ta kết hợp điều vòng điều khiển dòng điện bên trong để điều khiển tốc độ động cơ đạt hiệu quả cao.