Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than....

Tài liệu Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than.

.PDF
65
112
76

Mô tả:

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUỐC CHIẾN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIẾU KHÔNG CHỔI THAN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN VĂN CHÍ THÁI NGUYÊN, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Quốc Chiến Sinh ngày 12 tháng 03 năm 1974 Học viên lớp cao học khoá 15 CH.TĐH 02 - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2014 Học viên Nguyễn Quốc Chiến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than ” đã đƣợc hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10.năm 2014 Tác giả Nguyễn Quốc Chiến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... v LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC ...................................................................... 5 1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC ........................................................................ 6 1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC ................................................................ 6 1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC ........................................................ 7 1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto ....................................................................... 8 1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC .................................................... 8 1.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của động cơ BLDC ................................................ 10 1.3.1 Ƣu điểm ..................................................................................................... 10 1.3.2 Nhƣợc điểm................................................................................................ 10 1.4 Một số phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC ....................................... 11 1.4.1 Phƣơng pháp điều khiển sử dụng cảm biến ............................................... 11 1.4.2 Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến . 16 Chƣơng 2 MÔ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 2.1 Mô hình động cơ BLDC ............................................................................ 24 2.2 Mô hình của bộ biến đổi điện áp cấp cho BLDC ...................................... 29 2.3 Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................... 31 Chƣơng 3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC KHÔN G DÙNG CẢM BIẾN 3.1 Cấu trúc điều khiển BLDC không dùng cảm biến ..................................... 32 3.2 Khối ƣớc lƣợng vị trí rotor và tính toán tốc độ quay ................................. 34 3.2.1 Ƣớc lƣợng back - EMF dây sử dụng bộ quan sát ..................................... 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 3.2.2 Xác định hàm chuyển mạch ....................................................................... 37 3.2.3 Ƣớc lƣợng tốc độ và vị trí của rotor .......................................................... 38 3.3 Bộ điều khiển dòng điện PWM.................................................................. 41 3.4 Bộ điều khiển tốc độ dùng PI..................................................................... 43 3.5 Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 43 3.6 Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................... 48 Chƣơng 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC 4.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm BLDC ................................................... 49 4.2 Cấu trúc của mô hình ................................................................................. 52 4.3 Các thông số của mô hình thực nghiệm ..................................................... 53 4.4 Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 53 4.5 Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................... 55 Kết luận chung của luận văn ..................................................................................... 56 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BLDC Brushless DC Motor Động cơ một chiều không chổi than Back EMF Back Electromotive Force Sức phản điện động phần ứng PID Proportional- Intergral- Derivative – - Proportional Integral Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung DSP Digital signal processing Xử lý tín hiệu số ZCP Zero Crossing Point Các điểm chuyển tiếp qua PI giá trị 0 CP LPFs HVAC IGBT Commutation point Điểm chuyển mạch Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp Heating, Ventilation and Air Hệ thống gia nhiệt, thông Conditioning gió và điều hòa không khí (Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly MOSFEET Metal-Oxide Semiconductor Field- Transistor hiệu ứng trƣờng Effect Transistor Oxit Kim loại - Bán dẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Động cơ một chiều không chổi than (The Brushless DC motor -BLDC) nhanh chóng phổ biến với sự áp dụng trong nhiều ngành khác nhau nhƣ tự động hóa các trang thiết bị điện trong công nghiệp, trong hàng không, trong y học, trong dân dụng, trong các phƣơng tiện vận tải v.v. Động cơ không chổi than dần dần sẽ thay thế động cơ một chiều sử dụng chổi than vì các ƣu điểm sau [10][11][12]: - Đặc tính tốc độ và mô men tốt hơn - Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ - Hiệu suất sử dụng cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao đồng trên rôto - Tuổi thọ động cơ cao do không có chuyển mạch cơ khí - Động cơ chạy êm, tiếng ồn nhỏ - Không gây nhiễu khi hoạt động - Có thể điều chỉnh dải tốc độ rộng Để điều khiển động cơ BLDC có hai phƣơng pháp chính: phƣơng pháp dùng cảm biến vị trí và phƣơng pháp điều khiển không sử dụng cảm biến (sensorless control). a. Phƣơng pháp sử dụng cảm biến Cảm biến dùng để xác định vị trí của rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện vào các cuộn dây tƣơng ứng. Cảm biến xác định vị trí có thể sử dụng là cảm biến Hall, cảm biến tốc độ từ trở biến thiên, gia tốc kế. Tín hiệu điều khiển đƣa tới các cuộn dây để điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách [11] : + Điều chỉnh điện áp cấp cho các cuộn dây stator. + Điều khiển bằng phƣơng pháp PWM. + Kỹ thuật điện áp hình thang. b. Phƣơng pháp không sử dụng cảm biến Đây là phƣơng pháp sử dụng các ƣớc lƣợng từ thông rotor để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống. Do đó phƣơng pháp này đƣợc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 gọi là phƣơng pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến đối với động cơ BLDC là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ. Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ áp dụng đƣợc phƣơng pháp điện áp hình thang. Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến: Một là xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phƣơng pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ. Hai là ƣớc lƣợng vị trí dùng các thông số của động cơ, các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ. Phƣơng pháp này đòi hỏi phải tính toán phức tạp để tính toán các thông số. Phƣơng pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành cao. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng vị trí rotor dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động đòi hỏi chúng ta phải tạo ra một điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua zero của sức điện động. Điểm trung tính có thể là trung tính hoặc trung tính ảo. Điểm trung tính ảo trên lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn dây đấu hình Y. Tuy nhiên điểm trung tính không phải là điểm cố định. Điện áp của điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn. Đặc biệt là lúc động cơ khởi động tín hiệu nhận đƣợc rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác. Do vậy phƣơng pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính khởi động nhỏ. Trƣớc đây đã có một số nghiên cứu công bố một số mô phỏng cho sự phân tích hoạt động của các động cơ BLDC không sử dụng bộ điều khiển, những đặc tính của chúng đƣợc so sánh với tín hiệu mẫu bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân [9]. Trong các sức điện động phản hồi có hình dạng là các chuỗi xung hình thang EMF là một hàm của vị trí rô to và hàm chuyển đổi đƣợc thông qua tín hiệu điện áp ra của bộ nghịch lƣu. Kết quả thu đƣợc là các thông số về điện áp và dòng điện của bộ nghịch lƣu. Vì vậy, nếu ta sử dụng bộ xử lý tín hiệu số sẽ rút ngắn thời gian tính toán và có thể trở thành một công cụ thiết kế hữu ích đối với sự phát triển của động cơ một chiều không chổi than BLDC. Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc thể hiện ở trong các tài liệu [10],[11] mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển PID, PI với Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 phƣơng pháp có sử dụng cảm biến. Các phƣơng pháp này mang lại chất lƣợng tốt trong dải tốc độ lớn cỡ 500 vòng/phút trở lên, tuy nhiên trong dải tốc độ chậm và rất chậm những phƣơng pháp này không mang lại chất lƣợng tốt. Với việc ứng dụng vi xử lý trong điều khiển BLDC cho phép chúng ta thực hiện giải pháp không dùng cảm biến nhằm giảm giá thành sản phẩm và khắc phục những khó khăn khi gắn cảm biến, đặc biệt là những động cơ BLDC nhỏ. Chính vì vậy việc nghiên cứu và thực hiện giải pháp điều khiển BLDC không sử dụng cảm biến mang tính cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than sử dụng phƣơng pháp không dùng cảm biến. Phƣơng pháp này sử dụng bộ quan sát để ƣớc lƣợng tốc độ quay và vị trí của rotor nhằm cung cấp cho các bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ, các bộ điều khiển này sử dụng vi xử lý (hoặc DSP- bộ xử lý tín hiệu số). Phƣơng pháp cần phải khắc phục hiện tƣợng xác định điểm qua không ở dải tốc độ thấp nhằm ƣớc lƣợng đƣợc vị trí của rotor một cách chính xác hơn, kết hợp thuật toán điều khiển tốc độ sử dụng luật điều khiển PI để điều chỉnh tốc độ với độ chính xác hơn trong cả dải tốc độ thấp và tốc độ cao. - Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp Thiết kế bộ quan sát để ƣớc lƣợng tốc độ và vị trí của rotor Thiết kế bộ điều khiển dòng PWM Thiết kế bộ điều khiển tốc độ Mô phỏng bằng Matlab/Simulink Xây dựng thực nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 - Các kết quả đạt đƣợc trong luận văn: + Xây dựng đƣợc mô hình toán học của động cơ không chổi than. + Thiết kế đƣợc bộ quan sát để ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ của động cơ thay cho cảm biến Hall, giải pháp ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ quay chính xác ở tốc độ thấp. + Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng luật điều khiển PI + Xây dựng đƣợc mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi than 2.5KW + Chạy thực nghiệm 3. Nội dung của luận văn Luận văn thực hiện các nội dung sau: a. Tìm hiểu về BLDC, nguyên lý làm việc và các phƣơng pháp điều khiển tốc độ cho BLDC, phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp b. Xây dựng mô hình toán của BLDC c. Thiết kế bộ quan sát để ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ của động cơ d. Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng luật điều khiển PI e. Xây dựng đƣợc mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi than 2.5KW Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chƣơng với bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ BLDC Chƣơng 2: Mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp Chƣơng 3: Điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến Chƣơng 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển BLDC Phần cuối là kết luận chung của đề tài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Equation Chapter (Next) Section 1 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC Motor) là một dạng động cơ đồng bộ có kết cấu giống nhƣ động cơ một chiều, tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator. Điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến xác định vị trí rotor. Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tƣơng ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor nhƣ vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ. Nam châm Rô to Cuộn dây Stato Các cảm biến Hall Hình 1-1 Một động cơ một chiều không chổi than có cảm biến Hall đặt bên trong động cơ Động cơ BLDC là một trong những loại động cơ đã đƣợc phổ biến nhanh chóng hơn động cơ một chiều chổi than, chủ yếu là do đặc điểm và hiệu suất của nó và ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, trong hàng không vũ trụ, trong ngành giao thông vận tải, trong dân dụng v.v. bởi vì cấu trúc và mức độ độ an toàn của nó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh, nhƣ vậy về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng: phần cảm trên rôto và phần ứng trên stato. Nam châm vĩnh cửu dùng để kích từ có thể là loại nam châm điện từ hoặc loại nam châm hiếm nhƣ: AlNiCo, NdFeB, SmC v.v. Với công nghệ chế tạo nam châm ngày càng phát triển mạnh, các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu ngày càng đƣợc cải thiện, chất lƣợng nam châm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phép động cơ BLDC đƣợc chế tạo và ứng dụng nhiều hơn. 1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC Cũng giống nhƣ động cơ đồng bộ thông thƣờng, các cuộn dây BLDC cũng đƣợc đặt lệch nhau 1200 điện trong không gian của stato. Stato của động cơ BLDC gồm các lá thép mỏng đƣợc xếp chặt cùng với các cuộn dây đƣợc đặt trong các khe dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu nhƣ vậy trông giống nhƣ trong động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên stato của động cơ BLDC đƣợc phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của stato. Hình 1-2 Cách phân bố các cuộn dây trên stato Với sự phân bố từ trƣờng và cách phân bố các cuộn dây stato nhƣ vậy, động cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra từ trƣờng phân bố đều hơn, công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 nghệ chế tạo đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhƣng đập mạch mômen cũng lớn hơn động cơ có sức điện động hình sin. 1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh cửu đƣợc gắn trên đó theo các cách khác nhau, về cơ bản có hai phƣơng pháp gắn các nam châm vĩnh cửu trên lõi rôto. a. Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi Các nam châm vĩnh cửu đƣợc gắn trên bề mặt lõi rô to. Kết cấu này đơn giản trong chế tạo nhƣng không chắc chắn nên thƣờng đƣợc sử dụng trong phạm vi tốc độ trung bình và thấp. S N N S S N N S Hình 1-3 Rôto có nam châm gắn trên bề mặt b. Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi Trong lõi rôto có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu đƣợc chèn vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi công suất lớn, nhƣng chắc chắn và đƣợc sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao. NS NS S N N S SN S N Hình 1-4 Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rôto tạo ra từ trƣờng hƣớng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rô to. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder. Có thể đặt các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến bên ngoài lắp vào trục động cơ. Cảm biến hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) đƣợc dùng trong động cơ BLDC để xác định vị trí cực nam châm của rotor. Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ điều khiển đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC cho cuộn dây stato tƣơng ứng. Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trƣờng và có một dòng điện DC chạy qua thì sẽ có một điện áp sinh ra tại đầu ra của cảm biến. Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ. Điện áp U sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từ trƣờng. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân [1, 0] do đó cả cảm biến đều đƣợc chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 1200 điện hay 600 điện để xác định chính xác vị trí rô to để điều khiển tƣơng ứng các pha của dòng điện phần ứng stato. 1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định. Mômen quay đƣợc tạo ra là do sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng: từ trƣờng do nam châm rô to tạo ra và từ trƣờng tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra. Xu hƣớng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trƣờng tổng trùng nhau. Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trƣờng vuông góc với nhau. Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha đƣợc cấp điện, cuộn dây thứ ba không đƣợc cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trƣờng quay và làm cho rô to quay theo. Nhƣ vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của rôto. Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 khác đƣợc xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do quá trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất. Ta có mômen đƣợc xác định bằng biểu thức: ea ia Te ebib ecic (1.1) m Trong đó: ea, eb, ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V) ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A) ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s) Để đạt đƣợc yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng đƣợc điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu không trùng pha với sức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm tổn hao trên stato e, i Thời điểm chuyển mạch Sức điện động cảm ứng pha Dòng điện pha 0 30 150 180 210 330 360 t Hình 1-5 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp sức điện động cảm ứng pha đƣợc gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến và sẽ đƣợc nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau. Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng pha và vị trí của rôto nhƣ mô tả ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây còn có thể thực hiện đƣợc bằng việc xác định vị trí của rôto nhờ các cảm biến vị trí. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 1.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của động cơ BLDC 1.3.1 Ƣu điểm Động cơ DC không chổi than BLDC có các ƣu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhƣ: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lƣợng cao. Do máy đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rô to nên hiệu suất động cơ cao hơn. Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trƣợt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than, vành trƣợt. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rô to. Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động: + Mật độ từ thông khe hở không khí lớn. + Tỷ lệ công suất/khối lƣợng máy điện cao. + Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). + Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt đƣợc điều khiển vị trí một cách chính xác). + Mômen điều khiển đƣợc ở vị trí bằng không. + Vận hành ở tốc độ cao. + Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. + Hiệu suất cao. + Kết cấu gọn. 1.3.2 Nhƣợc điểm Do động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện áp đầu ra dạng xung vuông và cảm biến Hall đƣợc đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rô to nên tăng giá thành đầu tƣ khi sử dụng động cơ BLDC do giá thành chế tạo nam châm vĩnh cửu cao. Do phải xác định vị trí của rô to nên việc điều khiển động cơ BLDC khó khăn hơn động cơ một chiều chổi than. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 1.4 Một số phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC Để điều khiển động cơ BLDC có hai phƣơng pháp chính: phƣơng pháp dùng cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và phƣơng pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Trong đó ta có hai phƣơng pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều khiển đó là điện áp dạng sóng hình thang và dạng sóng hình sin. Cả hai phƣơng pháp hình thang và hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và không cảm biến, trong khi phƣơng pháp không cảm biến chỉ dùng phƣơng pháp điện áp dạng sóng hình thang. 1.4.1 Phƣơng pháp điều khiển sử dụng cảm biến Một động cơ BLDC đƣợc làm việc bởi độ lệch của điện áp với vị trí rotor. Độ lệch này phải đƣợc ứng dụng vào hoạt động bù pha của hệ thống ba cuộn dây pha, để góc giữa từ thông stator và từ thông rotor đƣợc giữ gần 900 nhằm tạo ra tối đa mô men quay. Do đó, bộ điều khiển cần một số công cụ xác định hƣớng/vị trí của rotor (tƣơng đối so với các cuộn dây stator), chẳng hạn nhƣ cảm biến hiệu ứng Hall đƣợc gắn trong hoặc gần khe hở không khí của máy để phát hiện từ trƣờng của nam châm rotor đi qua. Mỗi bộ đầu ra cảm biến cho ở mức độ cao với góc quay 1800 điện và mức thấp với góc 1800 khác. Ba bộ cảm biến đặt lệch nhau góc 600 tƣơng đối để bù đắp lẫn nhau. Bộ chia này quay một vòng thành sáu pha (mã 3-bit). Hình 1-6 Sự làm việc động cơ BLDC được chuyển mạch điện tử. Quá trình chuyển đổi dòng điện chỉ chạy qua hai pha làm cho rô to quay đi một góc 600 đƣợc gọi là chuyển mạch điện tử. Động cơ đƣợc cung cấp từ một biến tần ba pha và các hoạt động chuyển đổi có thể đƣợc sử dụng bộ kích xung đơn giản Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 12 bằng cách sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí đƣợc gắn tại các điểm thích hợp xung quanh stato. Khi đặt tại các điểm cách nhau 600 điện và trùng với các cuộn dây pha Stato các công tắc Hall sẽ cung cấp xung kỹ thuật số mà có thể đƣợc giải mã chuyển đổi thành chuỗi ba pha mong muốn. Một động cơ BLDC hoạt động với một biến tần sáu bƣớc và cảm biến vị trí Hall thể hiện trong hình 1.7. Hình 1-7 Tín hiệu từ cảm biến Hall, Tín hiệu phản hồi EMF, Mô men quay đầu ra và các thời điểm tương ứng. Một truyền động nhƣ vậy thƣờng có một vòng lặp dòng điện để điều chỉnh dòng điện stator và một vòng lặp tốc độ bên ngoài để điều khiển tốc độ. Tốc độ của động cơ có thể đƣợc điều khiển nếu điện áp trên động cơ thay đổi, nó có thể đạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 13 đƣợc dễ dàng thay đổi chế độ làm việc của tín hiệu PWM dùng để điều khiển sáu công tắc của cầu ba pha. Chỉ có hai công tắc chuyển đổi, một chuyển đổi mức trên và một chuyển đổi mức thấp, truyền dẫn ngay lập tức tại bất kỳ thời điểm nào. Những tín hiệu rời rạc chuyển mạch đảm bảo rằng trình tự các cặp tiến hành dẫn điện đến các cực stato đƣợc duy trì. Hình 1.7 cho thấy một ví dụ về tín hiệu cảm Hall với tín hiệu phản hồi EMF và dòng điện pha. Một trong những cảm biến Hall thay đổi mỗi góc 600 điện. Điều này phải mất sáu giai đoạn để hoàn thành một chu kỳ. Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể không hoàn toàn tƣơng ứng với một chu kỳ cơ khí của rô to. Số chu kỳ điện đƣợc lặp đi lặp lại để hoàn thành một vòng quay cơ khí đƣợc xác định bởi các cặp cực rô to. Đối với động cơ BLDC, để tiết kiệm chi phí thƣờng đƣợc sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall. Ngoài ra, Cảm biến điện trở (VR) hoặc cảm biến gia tốc đã đƣợc áp dụng rộng rãi để xác định vị trí và đo tốc độ động cơ. Thực tế cho thấy góc chuyển động cảm biến dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Hình 1-8 Mô hình phần tử cảm biến Hall Điện áp đầu ra của cảm biến Hall đƣợc xác định bởi công thức Ur K h .I .B (1.2) d Hầu hết các động cơ BLDC có ba bộ cảm biến Hall bên trong stator vào phần cuối của động cơ. Khi nào các cực từ rotor qua cảm biến Hall, nó sẽ cấp một tín hiệu cao hay thấp cho biết cực N hay cực S của rô to đi qua cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 14 Cuộn dây Stato Nam châm Rô to S Đầu trục Động cơ Nam châm Rô to N Các cảm biến Hall Đầu cuối trục Động cơ Nam châm cảm biến Hall Cuộn dây Stato Hình 1-9 Mặt cắt ngang Động cơ BLDC. Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall đƣợc đặt trên stato. Khi các cực của nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha stato. Thông thƣờng có hai cách bố trí ba cảm biến Hall trên stato là bố trí lệch nhau 600 hoặc 1200 trong không gian. Mỗi cách bố trí đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rôto quay. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan