›
›

Đồ án Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi Than (BLDC)

pdf 125 trang huongle 1930
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi Than (BLDC)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_tim_hieu_dong_co_mot_chieu_khong_choi_than_bldc.pdf

Nội dung text: Đồ án Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi Than (BLDC)

  1. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG -2015 1
  2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Lê Quang Tuyến Ngƣời hƣớng dẫn: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn HẢI PHÒNG - 2015 2
  3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC o0o BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Lê Quang Tuyến - mã số :1112102007 Lớp : ĐC 1501- Ngành Điện Công Nghiệp Tên đề tài : Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi than . 3
  4. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về lý luận, thực tiễn, các số liêu cần tính toán và các bản vẽ). 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán. 3. Địađiểm thực tập tốt nghiệp: 4
  5. CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣờng dẫn thứ nhất Họ và tên : Thân Ngọc Hoàn Học hàm, học vị : GS.TSKH Cơ quan công tác : Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng Nội dung hƣớng dẫn : Toàn bộ đề tài Ngƣời hƣờng dẫn thứ hai Họ và tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hƣớng dẫn : Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày 10 tháng 04 năm 2015. Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày 06 tháng 07 năm 2015. Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N. Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N. Sinh viên Cán bộ hƣớng dẫn Đ.T.T.N. Lê Quang Tuyến GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 HIỆU TRƢỞNG GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị 5
  6. PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp. 2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiêm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lí luận thực tiễn, tính toán gía trị sử dụng, chất lƣợng các bản vẽ). 3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn : (Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày tháng năm 2015 Cán bộ hƣớng dẫn chính. (Kí và ghi rõ họ tên)
  7. NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP 1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu nhập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lí luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lí luận và thực tiễn đề tài. 2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện. (Điểm ghi bằng số và chữ) Ngày tháng năm 2015 Ngƣời chấm phản biện. (Kí và ghi rõ họ tên)
  8. MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC 3 1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC 5 1.2.1. Stato 6 1.2.2. Roto 8 1.2.3. Cảm biến vị trí Hall sensor 10 1.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (Electronic commutator) 11 1.3. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC 12 1.4. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC 13 1.4.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) 14 1.4.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) 14 1.5. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC 15 1.5.1. Momen điện từ 15 1.5.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC 15 1.5.3. S ức phản điện động 16 CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 17 2.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC 17 2.1.1. Mô hình toán học 17 2.1.2. Momen điện từ 20 2.1.3. Phƣơng trình động học của động cơ BLDC 20 2.1.4. Phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than
  9. 21 2.1.5. Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC 22 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC. 23 2.2.1. Phƣơng pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall-phƣơng pháp 6 bƣớc 24 2.2.2. Điều khiển bằng phƣơng pháp PMW. 30 2.2.3. Điều khiển điện áp hình sin. 31 2.2.4. Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến(sensorless control) 32 2.2.5. Điều khiển vòng kín động cơ BLDC. 33 CHƢƠNG 3. THỰC HIỆN ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC 37 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ. 37 3.1.1. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011 38 3.1.1.1. Ngắt của DSPIC30F4011 40 3.1.1.2. Cổng vào ra của DSPIC30F4011 41 3.1.1.3. Các bộ định thời 41 3.1.1.4. Module chuyển đổi tƣơng tự - số ADC 10bit 43 3.1.1.5. Module PWM điều khiển động cơ 46 3.1.2. Thiết kế mạch điều khiển Động cơBLDCdùng DSPIC30F4011 47 3.1.2.1. Module xử lý trung tâm 47 3.1.2.2. Hệ thống phản hồi dòng điện 49 3.1.2.3. Mạch phản hồi tốc độ 50 3.1.2.4. Một số cấu trúc khác 51 3.1.3. Thiết kế mạch đệm cho bộ nghịch lƣu 55 3.1.3.1. IC HCPL 316J 55 3.1.3.2. Mạch đệm cho mỗi van IGBT 56 3.1.3.3. Nguồn cấp cho từng module của mạch đệm 56
  10. 3.1.3.4. Mạch đệm của cả 6 van IGBT 57 3.1.4. Viết chƣơng trình điều khiển cho động cơ 57 3.1.4.1. Lập trình cho mạch vòng hở 58 3.1.4.2. Chƣơng trình mạch vòng kín 60 3.2.THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO ĐỘNG CƠ BLDC 61 3.2.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơBLDC 61 3.2.2. Biến áp tự ngẫu 62 3.2.3. Mạch chỉnh lƣu 62 3.2.4. Mạch nghịch lƣu 65 3.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT 65 3.2.4.2. Đặc tính đóng cắt của van IGBT 65 3.2.4.3. Lựa chọn mạch nghịch lƣu 68 3.2.5. Tính toán tham số mạch lực 70 3.2.5.1. Tính chọn mạch chỉnh lƣu 70 3.2.5.2. Tính chọn mạch nghịch lƣu 71 3.2.5.3. Tính chọn tụ lọc 72 CHƢƠNG 4. TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNGVÀ MÔ PHỎNG 73 4.1. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ DÒNG ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ BLDC 73 4.1.1. Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than 73 4.1.2.Tổng hợp các bộ điều chỉnh của Động cơ BLDC 74 4.1.3. Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha Động cơ BLDC 76 4.1.4. Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển 77 4.1.4.1. Khối bộ biến đổi 77 4.1.4.2. Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng 78 4.1.4.3. Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ 79
  11. 4.1.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 79 4.1.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ 81 4.1.7. Mô phỏng mô hình một pha của động cơ BLDC 84 4.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình 3 pha của động cơ BLDC 87 4.2.1. Xây dựng tổng quan mô hình hệ điều khiển động cơ BLDC 88 4.2.2. Mô hình động cơ BLDC 89 4.2.2.1. Phần mạch điện 90 4.2.2.2. Phần tính toán momen 91 4.2.2.3. Khối tạo dạng sức phản điện động 92 4.2.3. Mô hình bộ chuyển mạch điện tử - nghịch lƣu nguồn áp 95 4.2.4. Khối Bộ điều khiển 96 4.2.4.1. Khối Rw 97 4.2.4.2. Khối tạo dạng dòng điện 97 4.2.4.3. Khối Ri 98 4.2.4.4. Khối Pulse Generator 99 4.2.5. Một số khối chức năng khác 100 4.2.5.1. Khối phản hồi tốc độ 100 4.2.5.2. Khối phản hồi dòng điện 100 4.2.6. Một số chƣơng trình phục vụ cho mô hình hệ điều khiển 100 4.2.7. Mô phỏng mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển động cơ BLDC 101 4.2.8. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển Động cơ BLDC 102 4.2.9. Nhận xét kết quả mô phỏng 104 KẾT LUẬN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106
  12. LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp do việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Cùng với sự thay đổi của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công nghệ về tự động hoá cũng có những bƣớc phát triển vƣợt bậc và trở thành ngành mũi nhọn của thế giới. Các hệ thống tự động hoá sử dụng động cơ điện truyền thống thƣờng đƣợc thiết kế với những phần tử tƣơng tự tƣơng đối rẻ tiền. Điểm yếu của các hệ thống tƣơng tự là chúng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và tuổi thọ của các thành phần. Một nhƣợc điểm nữa của các hệ thống này là khó mở rộng và nâng cấp. Các cấu trúc điều khiển số khắc phục đƣợc tất cả những nhƣợc điểm của các cấu trúc truyền động tƣơng tự và bằng cách sử dụng các bộ xử lý có thể lập trình đƣợc việc nâng cấp trở nên rất dễ dàng do đƣợc thực hiện bằng phần mềm. Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép chúng ta thực hiện đƣợc những bài toán điều khiển số yêu cầu độ phân giải cao, tốc độ và khối lƣợng tính toán lớn chẳng hạn nhƣ các bài toán điều khiển thời gian thực. Ngoài ra, chúng còn cho phép tối thiểu hoá các thời gian trễ trong mạch vòng điều khiển. Những điều khiển hiệu suất cao này còn cho phép giảm đƣợc dao động momen, giảm đáng kể tổn thất công suất nhƣ tổn thất công suất do các điều hoà bậc cao gây ra trong rotor. Các dạng sóng liên tục cho phép tối ƣu hoá các phần tử công suất và các bộ lọc đầu vào. Những tiến bộ gần đây trong ngành Vật liệu từ (Nam châm vĩnh cửu), ngành điện tử công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện đại đã ảnh hƣởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất hàng hoá, thiết bị, các bộ xử lý của thị trƣờng cạnh tranh khắp thế giới. Động cơ một chiều không chổi than là loại động cơ có rất nhiều ƣu điểm 1
  13. nên gần đây đã đƣợc chú ý nghiên cứu và đƣa vào sử dụng rộng rãi nhất là trong các hệ thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt: môi trƣờng chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ, Do không có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp, chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một chiều thông thƣờng. Hiệu suất cao do giảm đƣợc tổn thất công suất, không cần bảo dƣỡng và quán tính rotor nhỏ của động cơ một chiều không chổi than đã làm tăng nhu cầu sử dụng động cơ này trong những ứng dụng rô bốt và servo công suất lớn. Việc phát minh ra các thiết bị công suất hiện đại nhƣ MOSFET, IGBT, GTO và nam châm vĩnh cửu đất hiếm năng lƣợng cao đã tăng cƣờng các ứng dụng của động cơ này trong các truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Trong quá trình học tập tại trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng. Với sự giúp đỡ của nhà trƣờng và khoa Điện Dân Dụng và Công Ngiệp em đã đƣợc nhận đề tài tốt nghiệp là " Tìm hiểu động cơ điện một chiều không chổi than". Đồ án gồm các nội dung sau: Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than. Chƣơng 2: Mô hình toán học và phƣơng pháp điều khiển động cơ. Chƣơng 3: Vấn đề điều khiển cho động cơ Chƣơng 4: Tìm hiểu phƣơng pháp xây dựng cấu trúc hệ truyền động và mô phỏng . Em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo Thầy giáo GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn, cùng với các thầy cô giáo trong khoa đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Em mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn. Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Lê Quang Tuyến 2
  14. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) 1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thƣờng 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, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dƣỡng thƣờng xuyên. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dƣỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhƣ biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này đƣợc biết đến nhƣ là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thƣờng. 3
  15. So sánh BLDC với động cơ một chiều thông thƣờng: Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC Mặc dù ngƣời ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thƣờng hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thƣờng đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng 1.1 so sánh ƣu nhƣợc điểm của hai loại động cơ này. Khi nói về chức năng của động cơ điện, không đƣợc quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ một chiều thông thƣờng, sự đổi chiều đƣợc thực hiện bởi cổ góp và chổi than. Ngƣợc lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn nhƣ transitor, MOSFET, GTO, IGBT. 4
  16. Bảng 1.1: So sánh động cơ BLDC với ĐCMC thông thƣờng Nội dung ĐCMC thông thƣờng ĐCMC không chổi than Cấu trúc cơ Mạch kích từ nằm trên Mạch khích từ nằm trên roto khí stato Tính năng đặc Đáp ứng nhanh và dễ Đáp ứng chậm hơn. Dễ bảo dƣỡng biệt điều khiển (thƣờng không yêu cầu bảo dƣỡng) Cao áp :Ba pha nối Y hoặc Δ .Bình Nối vòng tròn. thƣờng :Dây cuốn 3 pha nối Y có Sơ đồ nối dây Đơn giản nhất là nối Δ điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha. Đơn giản nhất : nối 2 pha Phƣơng pháp Tiếp xúc cơ khí giữa chổi Chuyên mạch điện tử sử dụng thiết đổi chiều than và cổ góp bị bán dẫn nhƣ trasitor,IGBT Phƣơng pháp Sử dụng cảm biến vị trí :phần tử Tự động xác định bằng xác định vị trí Hall, cảm biến quang học (otical chổi than roto encoder) Đảo chiều điện áp Phƣơng pháp Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu nguồn (cấp cho phần đảo chiều logic ứng hoặc mạch kích từ) 1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC. Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. HÌnh 1.1 minh họa cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình: 5
  17. Hình 1.2: Sơ đồ khối động cơ BLDC Dây quấn stator tƣơng tự nhƣ dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài phƣơng tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử nhƣ biểu diễn trên hình 1.2. Từ hình 1.2 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor. Việc xác định vị trí rotor đƣợc thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng đƣợc sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản. 1.2.1. Stato. Khác với động cơ một chiều thông thƣờng, stator của động cơ một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha nhƣng thƣờng là dây quấn ba pha (hình 1.3). 6
  18. Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác Δ. Hình 1.3: Stato của động cơ BLDC Stator của động cơ BLDC đƣợc cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây đƣợc 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 nhƣ cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây đƣợc phân bố theo cách khác. Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây đƣợc cấu tạo bởi một số lƣợng các bối dây nối liền với nhau. Các bối dây này đƣợc đặt trong các khe và chúng đƣợc nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây đƣợc phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau. 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. Dòng điện pha của động cơ tƣơng ứng cũng có dạng hình sin và hình thang. Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhƣng đắt hơn vì phải có thêm các bối dây 7
  19. mắc liên tục. Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhƣng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn. a) Sức điện động hình thang b) sức điện động nam châm vĩnh cửu Hình 1.4: Các dạng sức điện động của động cơ BLDC Động cơ một chiều không chổi than thƣờng có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha. Tƣơng 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 tỷ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V đƣợc dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ Các động cơ trên 100V đƣợc dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp. 1.2.2. Roto. Đƣợc 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, ngƣời ta thƣờng chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng. Rotor đƣợc cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu.Số lƣợng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau. Hình 1.5: Roto của động cơ BLDC 8
  20. Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trƣờng trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp đƣợc chọn tƣơng ứng. Nam châm Ferrite thƣờng đƣợc sử dụng. Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm Ferrite rẻ hơn nhƣng mật độ thông lƣợng 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 thƣớc của rotor nhƣng vẫn đạt đƣợc momen tƣơng tự. Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite. Hình 1.6: Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than 1.2.3. Cảm biến vị trí Hall sensor. Không giống nhƣ động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển của động cơ một chiều không chổi than đƣợc điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây của stator sẽ đƣợc cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất. Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator đƣợc 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 roto để tiến tới biết đƣợc cuộn dây stator tiếp theo nào sẽ đƣợc cấp điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor đƣợc đo bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall đƣợc đặt ẩn trong stator. Hầu hết tất cả các độn cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến Hall dặt ẩn bên trong stato,ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ. 9
  21. 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 đƣợc xác định .Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận đƣợc sẽ dựa trên hiệu ứng Hall. Đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn đƣợc đặt trong một từ trƣờng, từ trƣờng sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hƣớng đẩy chúng về một phía của vật dẫn. Số lƣợng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hƣởng của từ trƣờng. 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 đƣợc này đƣợc gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên ngƣời tìm ra nó vào năm 1879. Hình 1.7: Hiệu ứng Hall Hình 1.8: Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang Trên hình 1.8 là mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than với rotor có các nam châm vĩnh cửu. Cảm biến Hall đƣợc 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 10
  22. 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 đƣợc gắn trên rotor, thêm vào so với nam châm chính của 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 tƣơng tự nhƣ của nam châm chính. Các cảm biến Hall thông thƣờng đƣợc gắn trên mạch in và cố định trên nắp đậy động cơ. Điều này cho phép ngƣời dùng có thể điều chỉnh hoàn 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 vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến .Các cảm biến Hall có thể đƣợc đặt dịch pha nhau các góc 600 hoặc 1200 tùy thuộc vào số đôi 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 đƣợc cấp nguồn .Điện áp cấp có thể từ 4 đến 24V Yêu cầu dòng từ 5 đến 15mA .Khi thiết kế bộ điều khiển, cần để ý đến đặc điểm kỹ thuật tƣơng ứng của từng loại động cơ để biết đƣợc chính xác điện áp và dòng điện của các cảm biến Hall đƣợc dùng. Đầu ra của các cảm biến Hall thƣờng là loại open-collector, vì thế ,cần ó điện trở treo ở phía bô điều khiển nếu không có điện trở treo thì tín hiệu mà chúng ta có đƣợc không phải là tín hiệu xung vuông mà la tín hiệu nhiễu. 1.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (Electronic commutator) Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng đƣợc bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng đƣợc thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí roto. Do trong cấu trúc của động cơ một chiều không chổi than cần có cảm biến vị trí rotor. Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống nhƣ vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thƣờng. 11
  23. 1.3. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC. Hình 1.9: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây stato Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết đƣợc vị trí chính xác của roto để điều khiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây stato theo trình tự hợp lí. Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây (nhƣ pha A) đƣợc cấp điện dƣơng (dòng đi vao trong cuộn dây pha A), cuộn dây thứ 2 (pha B) đƣợc cấp điện âm (dòng từ cuộn dây đi ra pha B) và cuộn thứ 3 (pha C) không cấp điện. Momen đƣợc sinh ra do tƣơng tác giữa từ trƣờng tạo ra bởi những cuộn dây của stato với nam châm vĩnh cửu. Một cách lí tƣởng, momen lớn nhất xảy ra khi 2 từ trƣờng lệch nhao 900 và giảm xuống khi chúng di chuyển. Để giữ động cơ quay, từ trƣờng tạo ra bởi những cuộn dây stato phải quay “đồng bộ” với từ trƣờng của roto một góc α. 12
  24. 1.4. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC 1.4.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) Hình 1.10: minh họa nguyên lí làm việc của BLDC truyền động một cực Hình 1.11: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trƣờng stator Hình 1.10 minh hoạ một động cơ BLDC ba pha đơn giản, động cơ này sử dụng cảm biến quang học làm bộ phận xác định vị trí rotor. Nhƣ biểu diễn trên hình 1.11, cực Bắc của rotor đang ở vị trí đối diện với cực lồi P2 của stator, phototransistor PT1 đƣợc chiếu sáng, do đó có tín hiệu đƣa đến cực gốc (Base) của transistor Tr1 làm cho Tr1 mở. Ở trạng thái này, cực Nam 13
  25. đƣợc tạo thành ở cực lồi P1 bởi dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 đã hút cực Bắc của rotor làm cho rotor chuyển động theo hƣớng mũi tên. Khi cực Bắc của rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 của stator, lúc này màn chắn gắn trên trục động cơ sẽ che PT1 và PT2 đƣợc chiếu sáng, Tr2 mở, dòng I2 chảy qua Tr2. Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và tạo ra cực Nam trên cực lồi P2 thì cực Bắc của rotor sẽ quay theo chiều mũi tên đến vị trí đối diện với cực lồi P2. Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 và phototransistor PT3 đƣợc chiếu sáng. Lúc này chiều của dòng điện có chiều từ W2 sang W3. Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại đƣợc kích hoạt và tạo thành cực lồi. Do đó, cực Bắc của rotor di chuyển từ P2 sang P3 mà không dừng lại. Bằng cách lặp lại các chuyển mạch nhƣ vậy theo thứ tự cho ở hình 1.11, rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục. 1.4.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng đƣợc quấn trên stator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều thông thƣờng dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất đƣợc điều khiển theo vị trí tƣơng ứng của rotor. Hình 1.12: Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC 14
  26. Về bản chất chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lƣu độc lập cới 6 van chuyển mạch đƣợc bố trí trên hình 1.12. Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thƣờng dùng van IGBT. Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn thì các diode đƣợc mắc song song với các van. Để điều khiển các van bán dẫn của chuyển mạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rôt để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống nhƣ vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thƣờng. 1.5. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC. 1.5.1. Momen điện từ Momen điện từ của động cơ BLDC đƣợc xác định giống nhƣ của động cơ DC có chổi than: Td=CTdc fIa=KTdcIa (1-1) Trong đó : CTdc f= KTdc là hằng số momen. Hằng số momen đƣợc xác định theo công thức: CTdc= (1-2) 1.5.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thƣờng. Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đƣờng tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác. Động cơ BLDC không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế đánh lửa. Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ BLDC có thể đƣợc mở rộng hơn. 15
  27. Hình 1.13: Đƣờng đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC 1.5.3. Sức phản điện động Khi động cơ một chiều không chổi than quay, mỗi một cuộn dây tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây đó theo luật Lenz. Chiều của sức phản điện động này ngƣợc chiều với điện áp cấp. Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc góc của rotor, từ trƣờng sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu của rotor và số vòng trong mỗi cuộn dây của stator. EMF = E ≈ nlrB. ω (1-3) Trong đó: N là số vòng dây trên mỗi pha l là chiều dài rotor r là bán kính trong của rotor B là mật độ từ trƣờng rotor ω là vận tốc góc của động cơ Trong động cơ BLDC từ trƣờng rotor và số vòng dây stator là các thông số không đổi. Chỉ có duy nhất một thông số ảnh hƣởng đến sức phản điện động là vận tốc góc hay vận tốc của rotor và khi vận tốc tăng, sức phản điện động cũng tăng. Trong các tài liệu kỹ thuật của động cơ có đƣa ra một thông số gọi là hằng số sức phản điện động có thể đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng sức phản điện động ứng với tốc độ nhất định. 16
  28. CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 2.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC. Mô hình toán học của đối tƣợng là các mối quan hệ toán học nhằm mục đích mô tả lại đối tƣợng thực tế đó nhƣng dƣới dạng các biểu thức toán học để thuận lợi cho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế. Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai trò quan trọng vì mọi khảo sát và toán bằng lý thuyết đều dựa trên mô hình toán học. Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấn đề trong quá trình tính toán thiết kế cho động cơ. 2.1.1. Mô hình toán học Để thực hiện xây dựng mô hình toán học thì phải ƣớc lƣợng động cơ về các phần tử điện cơ bản. Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong động cơ bao gồm 3 cuộn dây stato đƣợc ƣớc lƣợng bởi điện trở Ra và điện cảm La, do 3 cuộn dây của stator đƣợc đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tƣợng hỗ cảm giữa các cuộn dây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây đƣợc thể hiện qua đại lƣợng M. Mặt khác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửa nên khi rotor quay sẽ quét qua cuộn dây stator nên có sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng. Vì vậy các đại lƣợng ea, eb, ec, thể hiện sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng, biên độ của các sức phản điện động này là bằng nhau và bằng E. Do các nam châm đều đƣợc làm từ vật liệu có suất điện trở cao nên có thể bỏ qua dòng cảm ứng rotor. 17
  29. Hình 2.1: Mô hình mạch điện của động cơ BLDC Từ mô hình mạch điện của động cơ thì phƣơng trình điện áp của một pha: Va = Ra +La + ea Vb = Rb +Lb + eb (2-1) Vc = Rc +Lc + ec Đặt s là toán tử laplace khi đó di/dt=i.s Phƣơng trình điện áp của ba pha: = . +S. . + (2-2) Trong đó La, Lb, Lc là điện cảm của các cuộn dây động cơ. Lab, Lbc, Lca là hỗ cảm giữa các cuộn dây tƣơng ứng. Ra, Rb, Rc là điện trở của cuộn dây stator động cơ. Do các pha là đối xứng nên các giá trị điện trở, điện cảm, hỗ của ba cuộn dây là bằng nhau. Khi đó: Ra = R b = R c = R La = Lb = Lc = L 18
  30. Lab = Lca = Lcb = M Do đó: = . +S. . + (2-3) Trên hình 2.1 các cuộn dây của stator đấu sao nên: ia + ib + ic = 0 (2-4) Suy ra : M.ia + M.ib = -M.ic (2-5) Kết hợp hai biểu thức (2.3) và (2.5), suy ra: = . +S. . + (2-6) Chuyển vế của biểu thức (2-6) để đƣa dòng điện về một vế ta đƣợc: S . = . (2-7) Từ biểu thức (2-7) xây dựng đƣợc mô hình thu gọn của động cơ BLDC. 19
  31. Hình 2.2: Mô hình thu gọn của động cơ BLDC Đặt L-M = Ls là điện cảm tƣơng đƣơng của mỗi pha Thay vào biểu thức (2-7) : S. = . (2-8) 2.1.2. Momen điện từ Momen điện từ của động cơ đƣợc tính thông qua các công suất cơ và công suất điện. Do trong động cơ ma sát sinh ra chủ yếu giữa trục động cơ và ổ đỡ nên lực ma sát này nhỏ. Thêm vào đó vật liệu chế tạo động cơ cũng là loại có điện trở suất cao nên có thể giả thiết bỏ qua các tổn hao sắt, tổn hao đồng Vì vậy, công suất điện cấp cho động cơ cũng chính bằng công suất cơ trên đầu trục. Với là tốc độ của động cơ, công suất cơ đƣợc tính theo biểu thức: Pc = M. (2-9) Công suất điện đƣợc tính theo biểu thức: Pđ = ea.ia + eb.ib + ec.ic (2-10) 20
  32. Cân bằng công suất ở hai biểu thức trên: M. = ea.ia + eb.ib + ec.ic (2-11) => M = (2-12) 2.1.3. Phƣơng trình động học của động cơ BLDC Momen quán tính : Jm Momen ma sát : Mf Ma sát thƣờng tỷ lệ với tốc độ và đƣợc biểu hiện thông qua hệ số nhớt D theo biểu thức: Mf = D. ωm Momen tải của động cơ : Mc Momen quán tính của tải : Jc Nhƣ vậy, phƣơng trình động học tổng quát của động cơ có dạng nhƣ sau: M=(Jm + Jc ) + D. ω + Mc (2-13) Đặt J = Jm + Jc, biến đổi phƣơng trình (2.12) sẽ đƣợc: = (2-14) Viết dƣới dạng toán tử Laplace: s. ω = (2-15) 2.1.4. Phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ. Công suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ. Tuy vậy, ở cùng một giá trị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau thì mối quan hệ giữa hai đại lƣợng này là khác nhau. 21
  33. Xét sơ đồ một pha tƣơng đƣơng của động cơ trong hình 2.3 gồm nguồn cấp một chiều có độ lớn V, sức phản điện động là E, điện trở cuộn dây là R và dòng điện mỗi pha ở chế độ xác lập là I. Do tại một thời điểm trong động cơ luôn có 2 pha cùng dẫn nên phƣơng trình cân bằng điện áp của động cơ ở thời điểm xác lập nhƣ sau: V = 2.E + 2.R.I (2-16) Hình 2.3: Sơ đồ 1 pha tƣơng đƣơng của động cơ BLDC Ta có biểu thức công suất điện: Pd = ea.ia + eb.ib + ec.ic = 2.E.I (2-17) Biểu thức về công suất cơ: Pc = M. ω (2-18) Biểu thức về sức phản điện động: E = Ke . ω (2-19) Nếu bỏ qua các tổn hao về momen nhƣ tổn hao do ma sát, tổn hao sắt từ, khe hở thì có thể coi công suất cơ xấp xỉ bằng công suất điện. Trong biể u thức về sức phản điện động trên, E là giá trị đo theo đỉnh - đỉnh. Vì vậy, biên độ của sức điện động phải là E/2 . Cân bằng phƣơng trình ( 2 - 1 7 ) và (2-18) kết hợp với biểu thức sức phản điện động, ta đƣợc: M. ω = 2.E.I =2. .I = . I => I = (2-20) Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2-15), ta sẽ có biểu thức của tốc độ nhƣ sau: 22
  34. = (2-21) Từ hai biểu thức (2-20) và (2-21), ta sẽ có phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ BLDC: = . M (2-22) Giao điểm của đặc tính cơ với trục tốc độ chính là biểu thị của tốc độ không tải lý tƣởng. Lúc đó, dòng điện bằng 0. (2-23) Giao điểm của đƣờng đặc tính cơ với trục momen là giá trị momen lớn nhất hay momen ngắn mạch (tƣơng ứng với dòng điện ngắn mạch). (2-24) Có thể thấy, dạng của phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông thƣờng với động cơ BLDC là giống nhau. 2.1.5. Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC mang tính tổng quát cho một động cơ 3 pha. Do trong động cơ BLDC hệ số nhớt là rất nhỏ nên có thể bỏ qua thành phần D trong các phƣơng trình tính toán. Xuất phát từ biểu thức (2- 7), các phƣơng trình điện đƣợc viết lại nhƣ sau: ia = (Va-ea) ib = (Vb-eb) ic = (Vc-ec) Trong đó Tƣ=Lƣ/Rƣ đƣợc gọi là hằng số thời gian điện từ của động cơ BLDC. 23
  35. Từ 3 phƣơng trình trên, kết hợp với các phƣơng trình momen điện từ (2-11) và phƣơng trình động học (2-14), bỏ qua ma sát trong động cơ, sơ đồ khối của động cơ BLDC đƣợc trình bày nhƣ trong hình 2.4. Hình 2.4: Sơ đồ khối động cơ BLDC 2.2. CÁC 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. 2.2.1. Phƣơng pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall-phƣơng pháp 6 bƣớc Hình 2.5 là một ví dụ về các tín hiệu của cảm biến Hall tƣơng ứng với sức phản điện động của động cơ và dòng điện pha. Hình 2.6 chỉ ra thứ tự chuyển mạch tƣơng ứng với các cảm biến Hall khi động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ. Hình 2.7 là một ví dụ về các tín hiệu của cảm biến Hall tƣơng ứng với sức 24
  36. phản điện động của động cơ và dòng điện pha. Hình 2.8 chỉ ra thứ tự chuyển mạch tƣơng ứng với các cảm biến Hall khi động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ. Cứ mỗi khi quay đƣợc 600điện ,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 0 thời, cứ mỗi 60 điện, chuyển mạch dòng điện pha cần đƣợc cập nhật. Tuy nhiên, cũng chú ý là Một chu kì điện có thể không tƣơng ứng với một vòng quay của roto về cơ khí. Số lƣợng chu kỳ điện cần lặp lại để hoàn thành một vòng quay của động cơ đƣợc xác định bởi số cặp cực của rotor. Một chu kỳ điện đƣợc xác đinh bởi một cặp cực rotor. Do đó số lƣợng chu kỳ điện trên một chu kỳ cơ bằng số cặp cực rotor. Không giống nhƣ các loại động cơ thông thƣờng nhƣ đông cơ một chiều và động cơ đồng bộ thì động cơ BLDC có đƣờng sức phản điện động là hình thang còn dòng điện chảy trong các pha là dạng hình chữ nhật. Đặc tính sức phản điện động của ba cuộn dây lệch nhau 2π/3 do các cuộn dây stator đƣợc đặt lệch nhau 2 π /3 và góc chuyển mạch của sức phản điện động là π /3 vì thế trong thời gian này thì không cấp dòng cho cuộn dây stator tƣơng ứng. Căn cứ vào dạng dòng điện của 3 pha của động cơ theo vị trí của cảm biến Hall để xác định đƣợc sơ đồ mở van cho bộ nghịch lƣu. Do một chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổi vị trí nên sẽ có 6 trạng thái mở van. 25
  37. Hình 2.5: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ 26
  38. Hình 2.6: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tƣơng ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ 27
  39. Hình 2.7: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ 28
  40. Hình 2.8: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tƣơng ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ Hình 2.9 là sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than. Hệ thống điều khiển có sử dụng vi điều khiển làm bộ điều khiển chính, phát xung PWM cho bộ đệm PWM - IGBT driver. Để phát xung PWM cho bộ đệm thì vi điều khiển phải thực hiện công việc lấy tín hiệu từ cảm biến Hall về và căn cứ vào bảng cảm biến Hall để phát xung mở van đúng theo thứ tự cấp điện. 29
  41. Hình 2.9: Hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than Bảng 1.2 và 1.3 là thứ tự chuyển mạch của các van dựa trên các đầu vào từ các cảm biến Hall A, B, C ứng với chiều quay của động cơ. Trong đó các cảm biến Hall đặt lệch nhau 600. Bảng 2.1: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Đầu vào từ cảm Thứ Dòng điện pha biến Hall Các tín hiệu PWM tự A B C A B C 1 1 0 1 PWM5(Q5) PWM6(Q6) - -DC +DC 2 1 0 0 PWM1(Q1) PWM6(Q6) +DC -DC - 3 1 1 0 PWM1(Q1) PWM2(Q2) +DC - -DC 4 0 1 0 PWM3(Q3) PWM2(Q2) - +DC -DC 5 0 1 1 PWM3(Q3) PWM4(Q4) -DC +DC - 6 0 0 1 PWM5(Q5) PWM4(Q4) -DC - +DC Bảng 2.2: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ Đầu vào từ Thứ Dòng điện pha cảm biến Hall Các tín hiệu PWM tự A B C A B C 1 0 0 1 PWM5(Q5) PWM6(Q6) - -DC +DC 2 0 1 1 PWM5(Q5) PWM4(Q4) -DC - +DC 3 0 1 0 PWM3(Q3) PWM4(Q4) -DC +DC - 4 1 1 0 PWM3(Q3) PWM2(Q2) - +DC -DC 5 1 0 0 PWM1(Q1) PWM2(Q2) +DC - -DC 6 1 0 1 PWM1(Q1) PWM6(Q6) +DC -DC - 30
  42. Hình 2.10: Giản đồ Hall sensor và dòng điện ngõ ra tổng Hình 2.11: Quỹ đạo từ thông stato khi không tải và có tải 2.2.2 Điều khiển bằng phƣơng pháp PMW. Trên cơ sở điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng phƣơng pháp điều chỉnh điện áp vào ta có thể áp dụng kĩ thuật PMW để điều khiển tốc độ động cơ. Đây cũng là phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển điện áp hiện nay. Với phƣơng pháp này điện áp cung cấp cho bộ khóa công suất không đổi, tuy nhiên điện áp ra khỏi bộ khóa đến động cơ thay đổi theo thuật toán điều khiển. Phƣơng pháp PMW có thể dùng cho khóa trên, khóa dƣới hay đồng thời cả hai khóa trên và dƣới cùng lúc. 31
  43. Hình 2.12:Giản đồ xung điều khiển PMW kênh trên BLDC Motor có điều chế PMW Hình 2.13: BLDC motor có điều chế PWM 2.2.3. Điều khiển điện áp hình sin. Kĩ thuật này còn đƣợc gọi là kiểu AC không chổi than (brushless AC). Kĩ thuạt này làm giảm tiến ồn có thể nge thấy đƣợc, giảm gợn sóng momen do dạng sóng điến áp và dòng điện ra ít bị gợn sóng. Hình2.14:Giản đồ điều chế điện áp hình sin. 32
  44. 2.2.4. Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control). Đây là phƣơng pháp sử dụng các ƣớc lƣợng từ thông roto để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cản biến Hall truyền thống. Do đó phƣơng pháp này đƣợc 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 zezo 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 kĩ thuật điều khiển không cảm biến: Một là xác định vị trí roto dựa vào sức điên 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 tông số của động cơ, các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ. Phƣơng pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành cao. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng vị trí roto dựa vào thời điểm qua zezo của sức điện động đòi chúng ta tạo ra môt điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua zezo của sức điện động. Điểm trung tính có thể là trung tính hoặc trung tính ảo. Điểm trung tính ảo trên lí thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn dây đấu hình Y. Tuy nhiên điểm trung tính không phải klaf điểm cố định. Điện áp của điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn. Trong khi điều chế PMW, tín hiệu PMW chồng chất lên điện áp trung tính, gây ra nhiễu rất lớn trên tín hiệu cảm biến, điều này gây trì hoãn không cần thiết cho tín hiệu cảm biến. 33
  45. Hình2.15: Đo điện áp cảm ứng bằng điểm trung tính a. Điểm trung tính thật b. Điểm trung tính ảo Hình 2.16: EMF hồi tiếp v/s Hall sensors 2.2.5. Điều khiển vòng kín động cơ BLDC.  Hiệu chỉnh PID: Phƣơng trình vi phân mô tả khâu hiệu chỉnh PID: u(t) = KP e(t) + KI + KD Trong đó: KP: Hệ số khâu tỉ lệ 34
  46. KI : Hệ số khâu tích phân KD : Hệ số khâu vi phân Thủ tục hiệu chỉnh PID Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỷ lệ (KP) đƣợc đƣa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong một số trƣờng hợp là không chấp nhận đƣợc đối với mạch động lực. Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu(hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ số khuyếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ƣu điểm của hai khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha.Sự có mặt của khâu PID có thể dẫm đến sự dao động của hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac (t). Các bộ hiệu chỉnh PID đƣợc ứng ụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp dƣới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.  PID rời rạc: Hình 2.17: Sơ đồ khối PID số u(k) = uP (k) + uI (k) uP (k) = KP.e(k) 35
  47. uI (k) = uI (k-1)+KI.T.e(k) = uI (k-1) + K’I .e(k) PID số (phƣơng pháp 1) u(t) = KP e(t) + KI + KD Rời rạc hóa: u(k) = uP (k) + uI (k) + uD (k) uP (k) = KP.e(k) uI (k) = uI (k-1) + KI.T.e(k)= uI (k-1) + K’I .e(k) uD (k) = KD /T = K’D Trong đó T là tần số lấy mẫu Rời rạc hóa- phƣơng pháp gần đúng u(k) = uP (k) + uI (k)+ uD (k) uP (k) = KP.e(k) uI (k) = KI uD (k) = KD PID số - phƣơng pháp 2 Đạo hàm hai vế =KP +KI.e(t) + = uP (k) + uI (k) + uD (k) uP (k) = KP = K’P(e(k) – e(k-1)) uI (k) = KI .e(k) uD (k)= KD =K’D(e(k)- 2.e(k-1) + Hay: 36
  48. u(k) = u(k-1) + (u’P (k) + u’I (k) + u’D (k)) uP (k) = KP(e(k) – e(k-1)) uI (k) = KI .e(k) uD (k)= K’D(u’P(k) + u’P (k-1)) Hình 2.18: Sơ đồ khối điều khiển vòng kín tốc độ sử dụng khâu PI Độ lỗi là sự sai khác giữa tốc độ đặt r với tốc độ thực tế m, độ lỗi có thể có thể âm (hay dƣơng) phụ thuộc vào tốc độ thực lớn hơn (hay nhỏ hơn) tốc độ đặt. Độ lỗi này đƣợc đƣa qua khâu hiệu chỉnh PI để khuếch đại độ lỗi lên. Khuếch đại của độ lỗi đƣợc sử dụng để hiệu chỉnh lại độ rộng xung PWM của xung điều khiển. Tùy thuộc vào khả năng đáp ứng của từng loại động cơ, tùy thuộc vào từng loại tải mà ta hiệu chỉnh hệ số của các quá trình và thời gian lấy mẫu. Thông thƣờng tốc độ PI đƣợc đƣa lên cao nhất có thể, khi mà nó còn đủ khả năng xử lý các phép toán trong hàm hiệu chỉnh và các tác vụ cần thiết. Để ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển nói trên vào mô hình thực ngiệm đòi hỏi phải có bộ điều khiển đáp ứng đủ chức năng, có thể dùng IC hay vi điều khiển , cho bộ điều khiển. 37
  49. CHƢƠNG 3. THỰC HIỆN ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ. Để thực hiện điều khiển động cơ BLDC thì chúng ta thực hiện điều khiển sự đóng cắt của các van trong bộ biến đổi để cấp điện cho từng cặp van tƣơng ứng. Vì thế có hai cách để thay đổi điện áp đặt lên van đó là thay đổi điện áp một chiều hoặc thay đổi điện áp cấp cho cuộn dây stator của động cơ. Để điều khiển động cơ BLDChiện nay với công nghệ bán dẫn ngày càng phát triển nên các nhà sản xuất IC có thể tích hợp nhiều chức năng trên một IC bán dẫn vì thế nên việc nghiên cứu điều khiển các loại động cơ gặp nhiều thuận lợi hơn trƣớc. Có rất nhiều loại vi xử lý khác nhau của nhiều hãng khác nhau sản xuất nhƣng mỗi loại lại có sự khác nhau về cấu trúc vào ra và chức năng của các chân cũng khác nhau. Vì vậy khi lựa chọn vi xử lý cần phải để ý đến mục đích của việc điều khiển động cơ là nhƣ thế nào tức là điều khiển cho động cơ loại công suất nào, chủng loại của động cơ. Đối với động cơ BLDC dùng phƣơng pháp chuyển mạch hai cực tính để cấp điện cho các cuộn dây của động cơnên chúng ta có thể thực hiện điều khiển động cơ thông qua việc điều chế độ rộng xung trong khoảng thời gian mà các van dẫn để thay đổi điện áp đặt lên động cơ. Việc điều chế độ rộng xung là hoàn toàn có thể làm đƣợc vì ở chƣơng trƣớc chúng ta đã giới 38
  50. thiệu van cho bộ chuyển mạch nghịch lƣu là IGBT. Đây là loại van có thể chịu đƣợc tần số đóng cắt khá lớn đủ để cho chúng ta có thể thực hiện điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp đặt vào động cơ. Nhà sản xuất Microchip nổi tiếng đã sản xuất ra loại vi xử lý chuyên hỗ trợ cho việc điều khiển các loại động cơ nhƣ động cơ không đồng bộ, động cơ một chiều, động cơ từ trở hay động cơ không chổi than. Vì thế đối với động cơ mà đề tài nghiên cứu cũng có thể sử dụng loại vi xử lý này vì nó cung cấp sẵn cho các cổng ra điều chế độ rộng xung. Loại vi xử lý 30F4011 thì có sẵn 6 đầu phát xung PWM và tích hợp các tính chất đặc biệt khác nhƣ ADC độ phân giải cao cùng các tính năng xử lý tốc độ cao nên việc điều khiển động cơ là có thể làm đƣợc vì vi xử lý phải nhanh thì mới đáp ứng kịp sự thay đổi của việc truyền động nhanh. Trong công nghiệp thì khi xây dựng các hệ thống thì việc xử lý thông tin phải đảm bảo tính thời gian thực. Đối với động cơ BLDC 30kW thì các van của bộ biến đổi đƣợc sử dụng cấp dòng lớn cỡ vài trăm ampe. Vì vậy các tín hiệu điều khiển từ các loại vi xử lý đƣa ra là không đủ điện áp để mở các van nên để thực hiện đƣợc truyền động cho động cơ thì ngoài mạch điều khiển dùng vi xử lý 30F4011 thì cần phải có thêm mạch đệm để kích mở van IGBT. Vì vậy trong phần này sẽ có hai vấn đề đƣợc trình bày đó là: - Thiết kế mạch điều khiển - Thiết kế mạch đệm 3.1.1. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011 DSPIC30F4011 là bộ vi điều khiển xử lý tín hiệu số 16 bit có hiệu suất cao do hãng microchip sản xuất. Nó có một số đặc điểm chính sau: + Khối điều khiển trung tâm CPU hiệu suất cao với tập lệnh rút gọn nâng cao tốc độ xử lý: - Kiến trúc tập lệnh tối ƣu cho ngôn ngữ C và các chế độ địa chỉ 39
  51. linh hoạt nên việc làm việc đồng thời trên nhiều chân là rất tốt - Có 83 lệnh cơ bản - Các lệnh có độ rộng 24 bit, dữ liệu có độ lớn 16 bit - 48Kb flash rom (16k từ lệnh) - 2Kb ram trên chip - 1Kb eeprom dùng để chứa dữ liệu - Có thế hoạt động với tốc độ 30 mips (triệu lệnh/s), tần số thạch anh đầu vào có thể từ 4-10MHz - 30 nguồn ngắt, trong đó có 3 nguồn ngắt ngoài, 8 mức ƣu tiên ngắt - Mảng thanh ghi có thể làm việc 16 x 16 bit + Các đặc trƣng về cơ chế xử lý tín hiệu số - Thanh ghi chứa nạp lại cho hoạt động xử lý tín hiệu số - Các chế độ địa chỉ hóa đảo bit và theo module - 2 thanh chứa có độ rộng 40 bit để thực hiện tính toán. - Bộ nhân số thực/số nguyên bằng phần cứng đơn chu kỳ 17bit x17bit - Tất cả các lệnh xử lý tín hiệu số đều gói gọn trong 1 chu kỳ + Các đặc điểm về ngoại vi - Tín hiệu của các chân vào ra có cấp dòng điện lớn 25mA - Module định thời có bộ chia trƣớc lập trình đƣợc - Các hàm so sánh/xuất PWM 16bit - Hỗ trợ chế độ I2C để thực hiện kết nối các vi xử lý lại với nhau - Module UART - Module CAN + Các bộ A/D - Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số 10bit với 4 đầu vào sample and hold 40
  52. - Tốc độ chuyển đổi là 1 msps (triệu mẫu/s) - 9 kênh đầu vào Hình 3.1: Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011 3.1.1.1. Ngắt của DSPIC30F4011 DSPIC30F4011 có tổng cộng 30 nguồn ngắt và 4 ngoại lệ ngắt (bẫy bộ xử lý). Chúng đƣợc phân định nhờ 7 mức ƣu tiên ngắt. CPU có trách nhiệm tra trong bảng vector ngắt, tìm ra địa chỉ của vector ngắt của ngắt hiện thời rồi chuyển địa chỉ đó vào bộ đếm chƣơng trình. Bộ điều khiển ngắt có trách nhiệm xử lý các ngắt và các bẫy bộ xử lý. Các ngắt đƣợc cài đặt, sử dụng và điều khiển nhờ vào các thanh ghi chức năng đặc biệt sau: - IFS0 , IFS1 , IFS2 với chức năng lƣu giữ các cờ ngắt. Các cờ này đƣợc xóa bởi phần mềm. - IEC0 , IEC1 , IEC2 lƣu giữ bit điều khiển cho phép/không cho phép ngắt của tất cả các nguồn ngắt. - IPC0 IPC11 là 12 thanh ghi lƣu giữ mức ƣu tiên của tất cả các ngắt. Chúng đƣợc cài đặt do lập trình của ngƣời sử dụng. - IPL mức ƣu tiên CPU hiện thời đƣợc lƣu ở đây. IPL có mặt trong thanh ghi CORCON còn các bit IPL có mặt trong các thanh ghi 41
  53. trạng thái SR. - INTCON1 , INTCON2 chức năng điều khiển ngắt toàn cục đƣợc lƣu giữ ở đây. Mỗi một nguồn ngắt có thể đƣợc lập trình để gán cho nó 1 trong 7 mức ƣu tiên ngắt thông qua thanh ghi ICPx. Mỗi một nguồn ngắt tƣơng ứng với một vector ngắt trong bảng các vector ngắt. Mức ƣu tiên 7 và 1 tƣơng ứng là các mức ƣu tiên cao nhất và thấp nhất. Có một đặc điểm trong DSPIC30F4011 về hoạt động ngắt. Bit NSTDIS (INTCON1 ) đƣợc set để chắn các ngắt khác khi ngắt đó đang đƣợc phục vụ. Có nghĩa là khi một chƣơng trình con dịch vụ ngắt đang đƣợc thực thi, nếu bit này đƣợc set lên sẽ có thể chắn các ngắt khác, kể các khi các ngắt khác có mức ƣu tiên cao hơn. 3.1.1.2. Cổng vào ra của DSPIC30F4011 DSPIC30F4011 có 5 cổng vào ra đƣợc đánh ký hiệu từ RB đến RF. Số lƣợng bit của các cổng là khác nhau, ví dụ cổng RB có 9 bit trong khi cổng RE có 6 bit. Các cổng vào ra này có thể chịu đƣợc dòng 25mA vào và xuất ra đƣợc 25mA, có nghĩa là tín hiệu xuất trực tiếp từ cổng đủ mạnh để có thể điều khiển LED trực tiếp. Có 3 thanh ghi chính phục vụ cho cổng vào ra. Thanh ghi TRISx (x là tên cổng) có nhiệm vụ điều khiển chiều đi của dữ liệu qua các chân cổng tức là thanh ghi này cài đặt cho một chân của cổng là đầu vào hay đầu ra. Quy ƣớc, 1 là đầu vào và 0 là đầu ra. 42
  54. Hình 3.2: Cấu trúc một chân của cổng vào ra Thanh ghi PORTx có nhiệm vụ hốt dữ liệu khi ccoongr là đầu vào, một thao tác đọc thanh ghi PORTx sẽ cho biết trạng thái của port đó( khi đó là cổng vào).Thanh ghi LATx là thanh ghi chốt dữ liệu cho cổng ra. Để gửi dữ liệu ra bên ngoài, một thao tác ghi vào thanh ghi LATx đƣợc thực hiện. Sau khi RESET hệ thống, tất cả các PORT đều đƣợc định nghĩa là cổng vào. 3.1.1.3. Các bộ định thời DSPIC30F4011 có 5 bộ định thời , trong đó các bộ định thời đƣợc chia làm 3 loại :A,B,C. Mỗi kiểu định thời có một đặc trƣng riêng. Bộ định thời Timer1 là loại A . Module định thời 1 là bộ định thời 16 bit có thể làm nhiệm vụ cung cấp bộ đếm thời gian cho đồng hồ thời gian thực hoặc cũng có thể hoạt động nhƣ một bộ đếm / định thời tự do và theo khoảng. Bộ định thời 16 bit có các chế độ sau: - Chế độ đinh thời 16 bit :khi ở chế độ này, bộ định thời sẽ tăng giá trị của nó lên 1 sau mỗi chu kì lệnh. Khi nội dung bộ định thời bằng với giá trị đặt trong thanh ghi PR1, giá trị của nó sẽ đƣợc reset về 0 và lại tiếp tục đếm từ đầu. - Chế độ đếm không đồng bộ 16 bit: trong chế độ này ,giá trị của bộ định thời đuợc tăng lên mỗ một khi phát hiện một sƣờn lên của xung clock bên ngoài đƣa tới. Khi giá trị bộ định thời bằng với giá trị đặt trong 43
  55. thanh ghi PR1, nó sẽ đƣợc reset về 0 và lại tiếp tục đếm từ đầu. Hình 3.3: Cấu trúc của bộ định thời 1 (Timer1 - Định thời loại A) Bộ định thời 16 bit có khả năng tạo ra ngắt cứ mỗi khi nội dung của nó bằng với nội dụng của thanh ghi PR1. Khi đó, bit T1IF đƣợc set và một ngắt đƣợc tạo ra. Bit T1IF cần phải đƣợc xóa bởi phần mềm khi vào thủ tục ngắt. Các bộ định thời 2/3 là các bộ định thời kiểu B, chúng là các module định thời 32 bit và có thể đƣợc cấu hình thành 2 bộ định thời 16 bit với các chế độ có thể lựa chọn đƣợc. Các bộ định thời này có thể đƣợc sử dụng bởi các module ngoại vi nhƣ module bắt đầu vào, module PWM. Các bộ định thời 32 bit có các chế độ làm việc nhƣ sau: - 2 bộ định thời làm việc độc lập (bộ 2 và bộ 3) với các chế độ định thời 16 bit (ngoại trừ chế độ đếm không đồng bộ) - Hoạt động ở chế độ định thời 32 bit - Hoạt động ở chế độ đếm đồng thời 32 bit - Ngoài ra, bộ định thời 2/3 còn hỗ trợ cho các hoạt động ADC, cài 44
  56. đặt bộ chia trƣớc, hoạt động định thời trong các chế độ ngủ và nguồn nghỉ Các bộ định thời 4/5 cũng là bộ định thời 32 bit và cũng đƣợc ghép từ 2 bộ định thời 16 bit. Tuy nhiên bộ định thời 4 là kiểu B trong khi bộ định thời 5 là kiểu C. Ở bộ định thời 5, chân cấp xung clock đƣa vào là không có. Còn về các chế độ hoạt động các bộ 4/5 hoàn toàn giống với bộ 2/3 nhƣng chỉ khác là hỗ trợ hoạt động của ADC và chúng có thể đƣợc sử dụng bởi các module ngoại vi nhƣ chụp đầu vào và so sánh đầu ra. 3.1.1.4. Module chuyển đổi tƣơng tự - số ADC 10bit Các chip DSPIC có module ADC thuộc một trong hai dạng: 10-bit với tốc độ lên đến 1 MSPS (triệu mẫu/giây) hay 12-bit với tốc độ lên đến 200 ksps (nghìn mẫu/giây). Các module ADC đƣợc thiết kế nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau. Trong các DSPIC thuộc dòng điều khiển động cơ, module ADC là loại 10-bit với tốc độ cao, nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ lấy mẫu của các bộ điều khiển truyền động điện. Các bộ ADC trong các DSPIC sử dụng thuật toán chuyển đổi successive approximation register - sar, do đó có thời gian chuyển đổi đã đƣợc xác định trƣớc. Việc chuyển đổi tín hiệu từ dạng tƣơng tự sang dạng số bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn lấy mẫu tín hiệu vŕ giai đoạn chuyển đổi, có thể bắt đầu giai đoạn lấy mẫu bằng tay hay tự động. Thời điểm chấm dứt lấy mẫu (và bắt đầu chuyển đổi) có thể do ngƣời dùng xác định (bằng cách tắt bit SAMP) hay đƣợc một ngoại vi nào đó xác định (một timer dành riêng, module MCPPWM, Timer 3, hay chân INT(0). Nhƣ vậy thời gian lấy mẫu là khác nhau với các thiết lập khác nhau. Giai đoạn chuyển đổi dữ liệu cần có 12 xung clock cho module ADC, với một chu kỳ xung clock TAD có thể đƣợc chọn là từ Tcy/2 đến 32Tcy. Tcy chính là thời gian của một chu kỳ máy. Module ADC của DSPIC30F4011 có 4 bộ khuếch đại s/h (sample and 45
  57. hold), đƣợc đánh địa chỉ là kênh 0 đến kênh 3. Có thể chỉ dùng kênh 0, hay dùng kênh 0 và 1, và cũng có thể dùng cả 4 kênh cho việc thu thập dữ liệu. Kênh 0 là kênh linh hoạt nhất trong việc chọn lựa các ngõ vào tƣơng tự. Bộ đệm của module ADC có thể chứa đƣợc tối đa 16 kết quả. Module ADC của DSPIC30F4011 có 6 thanh ghi 16 bit: - A/D CONTROL REGISTER - ADCONx với x là số thứ tự từ 1 đến 3. Thanh ghi này điều khiển hoạt động của ADC. - A/D INPUT SELECT REGISTER - ADCHS có nhiệm vụ chọn kênh cần chuyển đổi. - A/D PORT CONFIGURAITON REGISTER - ADPCFG cấu hình cho các PORT là đầu vào tƣơng tự hay đầu vào số. - A/D INPUT SCAN SELETION REGISTER (ADCSSL) chọn đầu vào để quét 46
  58. Hình 3.4 : Cấu trúc của module ADC 10bit trong DSPIC30F4011 Sau khi chuyển đổi, kết quả sẽ đƣợc lƣu vào các bộ đệm tên là ADCBUF0 đến ADCBUFF. Hoạt động chuyển đổi của ADC module cần phải thiết lập theo các bƣớc sau: - Chọn các chân dùng làm ngõ vào analog bằng các bit ADPCFG - Chọn nguồn điện áp chuẩn bằng các bit ADCON2 - Chọn tốc độ xung clock cho module ADC phù hợp với tốc độ dữ liệu và tốc độ của bộ xử lý bằng các bit ADCON3 - Xác định bao nhiêu kênh S/H sẽ đƣợc dùng bằng các bit ADCON2 và ADPCFG - Xác định cách thức lấy mẫu bằng các bit ADCON1 và ADCSS1 - Chọn thứ tự lấy mẫu/chuyển đổi thích hợp bằng các bit ADCON1 và ADCON3 - Chọn cách biểu diễn kết quả chuyển đổi trong bộ đệm bằng các bit ADCON1 - Chọn tốc độ tạo ngắt bằng các bit ADCON2 - Bật module ADC bằng bit ADCON1 - Nếu có sử dụng ngắt, cần thiết lập thêm cấu hình cho ngắt A/D - Xóa bit ADIF - Chọn độ ƣu tiên cho ngắt A/D Các bit ADCS (ADCON3 ) đƣợc dùng để thiết lập tốc độ xung clock cho module ADC. Giá trị của ADCS đƣợc xác định từ công thức: ADCS = -1 Giá trị đƣợc chọn của TAD không đƣợc phép nhỏ hơn 83.33 ns. 3.1.1.5. Module PWM điều khiển động cơ 47
  59. Đối với DSPIC30F4011 thì bộ PWM đã đƣợc tích hợp sẵn với 6 xung đồng bộ đâu ra chuyên để dùng điều khiển các thiết bị là. - Điều khiển động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha - Điều khiển động cơ từ trở - Điều khiển động cơ BLDC - Nguồn lƣu điện UPS Để khởi tạo hoạt động của module PWM điều khiển động cơ theo trình tự sau: - Xác định thời gian cho một chu kỳ xung bằng cách đặt một giá trị 15bit vào thanh ghi ngƣỡng đếm chu kỳ xung PTPER, theo công thức: PTPER = -1 So sánh theo xung răng cƣa sƣớn thẳng PTPER = -1 So sánh theo xung răng cƣa sƣớn dốc - Thiết lập chế độ dùng các chân pwm bằng thanh ghi PWMCON1 - Thiết lập chế độ băm xung trong thanh ghi OVDCON - Đặt giá trị phần trăm băm xung trong 3 thanh ghi PCDx 48
  60. Hình 3.5: Cấu trúc của module PWM 3.1.2. Thiết kế mạch điều khiển động cơ BLDC dùng DSPIC30F4011 3.1.2.1. Module xử lý trung tâm Module xử lý trung tâm là trung tâm xử lý các tín hiệu và đƣa ra các tín hiệu đặt cho các thiết bị khác.Vì thế vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong mạch điều khiển. Trong module này xử lý trung tâm gồm có vi điều khiển và các mạch RESET, mạch cấp xung clock. Xung clock ở đây đƣợc cấp bằng thạch anh tần số 11.589 MHz. 49
  61. Hình 3.6: Cấu trúc module xử lý trung tâm Để thuận tiện cho quá trình lập trình nên thực hiện phân công cổng vào ra theo bảng 3.1 để khi khái báo ban đầu để đặt cổng vào ra. Bảng 3.1: Phân công địa chỉ vào ra cho các chân của vi điều khiển Số thứ tự STT Chức năng Tên chân Nhiệm vụ chân Chân reset hệ 1 MCLR MCLR 1 thống 2 Set_speed AN0/RB0 Đặt tôc độ 2 3 Current Feedback AN1/RB1 Phản hồi dòng điện 3 phase A xoay chiều pha A 4 AN2/RB2 Phản hồi dòng điện 4 Current Feedback phía một chiều 50
  62. Phản hồi tốc độ động 5 Encoder1 QEA 6 cơ 6 Encoder2 QEB 7 7 Hall1 RB6 8 Cảm biến Hall 8 Hall2 RB7 9 9 Hall3 RB8 10 10 INT(0) RE8 16 11 INT(1) RD1 Ngắt ngoài 17 12 INT(2) RD0 23 13 TX RF3 25 Giao tiếp máy tính 14 RX RF2 26 15 Test1 RF5 27 16 Test2 RF4 Thử chƣơng trình 28 17 Test3 RF1 29 18 Test4 RF0 30 19 PWM3H RE5 33 20 PWM3L RE4 34 21 PWM2H RE3 PWM 35 22 PWM2L RE2 36 23 PWM1H RE1 37 24 PWM1L RE0 38 Phản hồ i tốc độ 25 AN3/RB3 5 phát bằng tốc 3.1.2.2. Hệ thống phản hồi dòng điện Để thực hiện điều khiển đƣợc động cơchính xác chúng ta thực hiện hai mạchvòng phản hồi nên khi thiết kế mạch điều khiển phải có thành phần phản hồi dòng điện. Đối với dòng điện một chiều thì chúng ta dùng điện trở Shunt để thực hiện phản hồi từ mạch lực. Điện trở Shunt có thông số là 200A/75mV. Do điện áp ra trên điện trở Shunt là rất bé nên để đƣa vào cổng A/D của vi xử lý cần có một khâu khuyếch đại tín hiệu để tín hiệu vào mạch điều khiển có thể nhận biết đƣợc. 51
  63. Để thực hiện khâu khuyếch đại trên chúng ta dùng một IC tên là HCPL 7510 Hình 3.7: Cấu trúc mạch phản hồi dòng điện Trong mạch phản hồi dòng điện thì để thực hiện khuyếch đại tín hiệu điện áp từ điện trở Shunt dùng một IC. Vai trò của IC là đƣa ra điện áp chuẩn cho vi điều khiển có thể nhận biết đƣợc và do mức điên áp của vi điều khiển là 5V cho nên điện áp ra của IC cũng đƣợc đặt là 5V. Hình 3.8: Cấu trúc của HCPL 7510 3.1.2.3. Mạch phản hồi tốc độ Để thực hiện phản hồi tốc độ thì có thể dùng hai cách để phản hồi tốc độ về mạch điều khiển: 52
  64. - Dùng phát tốc nối đồng trục với động cơ - Dùng encoder. Vì vậy, để đảm bảo tính mở rộng của mạch điều khiển, cả 2 mạch nhận tín hiệu đƣợc thiết kế. Với phát tốc, có thể nhận trực tiếp tín hiệu về, thông qua chiết áp và tụ lọc. Tín hiệu phản hồi đƣa vào chân ADC để chuyển thành dữ liệu số cho CPU xử lý. Còn với encoder, có thể đƣa trực tiếp về vi điều khiển để đếm xung và tính ra tốc độ phản hồi. Hình 3.9: Cấu trúc mạch phản hồi tốc độ 3.1.2.4. Một số cấu trúc khác a. Mạch vào ra bằng nút ấn và đèn LED Các đèn LED đƣợc sử dụng dùng để kiểm tra chƣơng trình và hiện thị khi cần thiết. Trong một số trƣờng hợp để phát hiện ra lỗi của chƣơng trình để trong quá trình lâp trình có thể nhanh chóng tìm ra chỗ sai mà không tốn nhiều thời gian và công sức. Dùng nút bấm để khởi động chƣơng trình. Để dùng nút bấm khởi động chƣơng trình thì trong quá trình lập trình sử dụng mức 1 của chân đƣa vào ngắt nên khi đảo tín hiệu đƣa vào thì nó là 0 khi đó có thể dừng đƣợc chƣơng trình cho đến khi có bấm nút. Khi đó thì tín hiệu vào vi điều khiển là 0 nên sau khi đảo tín hiệu thì nó là 1 cho phép chƣơng trình chạy. Sau đó phải có thêm vòng lặp cho lệnh tiếp tục thực 53
  65. hiện. Các đèn LED đƣợc dùng để hiện thị xem nút đã đƣợc bấm chƣa, dùng để hiển thị kết quả khi biết chƣơng trình đã chạy đến điểm mà chƣơng trình đã đặt hay không. Hình 3.10: Mạch ghép nối LED và nút ấn b. Mạch ghép nối với động cơ và phát xung PWM Hình 3.11: Mạch xuất tín hiệu PWM và nhận tín hiệu từ cảm biến Hall Các đèn LED dùng để nhận biêt đƣợc sự thay đổi của tín hiệu Hall 54
  66. xem có đúng với bảng giá trị hay không. c. Mạch truyền thông nối tiếp Mạch có sử dụng max232 để thực hiện kết nối và cách ly mạch điều khiển với máy tính thông qua cổng com. Vì nếu không có IC cách ly thì các xung điện từ máy tính xuống có thể làm hỏng mạch điều khiển. Dùng truyền thông nối tiếp để thực hịên đọc các tín hiệu từ mạch điều khiển lên để vẽ đồ thị tốc độ của động cơ hoặc có thể thực hiện điều khiển động cơ trực tiếp bằng máy tính. Hình 3.12: Mạch ghép nối cổng COM d. Nguồn cấp và các đèn báo. Nguồn cấp thiết kế để cấp nguồn cho các phần tử trong mạch điều khiển 55
  67. Hình 3.13: Nguồn cấp cho mạch điều khiển 56
  68. Hình 3.14 : Mạch điều khiển động cơ 57
  69. 3.1.3. Thiết kế mạch đệm cho bộ nghịch lƣu Do động cơ công suất lớn nên để thực hiện đóng cắt cho van thì phải dùng một bộ đệm để tăng điện áp và dòng điều khiển để thực hiện đóng cắt cho van. Bộ đệm sử dụng IC HCPL316J đây là loại IC chuyên dùng cho bộ đệm của van vì nó chế độ bảo vệ tốt nên khi vận hành có thể tránh đƣợc nhiều trƣờng hợp hỏng van do quá dòng. 3.1.3.1. IC HCPL 316J Hình 3.15: Cấu trúc của ICHCPL 316J Hình 3.16: Đặc tính điện áp vào và các tín hiệu bảo vệ của ICHCPL 316J IC thực hiện bảo vệ qua tín hiệu điện áp gửi về qua chân DESAT và khi có hiện tƣợng quá dòng thì điện áp trên chân DESAT tăng lên lớn hơn điện áp ngƣỡng thì tín hiệu ra của van đƣợc cắt và thực hiện báo lỗi ra chân Fault. Vai trò của ICHCPL 316J là kích tín hiệu điều 58
  70. khiển để đóng mở các van IGBT, bảo vệ quá dòng cho các van và bảo vệ điện áp thấp. 3.1.3.2. Mạch đệm cho mỗi van IGBT Do mạch nghịch lƣu có 6 van nên mạch đếm tƣơng ứng cũng có 6 IC đệm để kích dòng và điện áp để mở van. Do tính độc lập giữa các pha là cao vì nếu không sẽ xảy ngắn mạch nên nguồn cấp cho mỗi mạch IC đệm phải đƣợc làm riêng. Trong mạch sử dụng 6 biến áp một pha để cấp nguồn cho 6 IC đệm. Sau đây là sơ đồ mạch điện của mạch đệm cho một van. Hình 3.17: Module mạch đệm cho một van IGBT 3.1.3.3. Nguồn cấp cho từng module của mạch đệm Hình 3.18: Nguồn cấp cho modul của mạch điệm cho van IGBT Do mỗi van phải có nguồn cấp riêng để tránh trƣờng hợp ngắn mạch cho van nên mỗi module mạch đệm đƣợc cấp một nguồn điện và các 59
  71. nguồn đƣợc cách ly bằng biến áp ở bên ngoài. 3.1.3.4. Mạch đệm của cả 6 van IGBT Sau khi thiết kế cho từng van thực hiện ghép 6 van lại ta đƣợc mạch đệm hoàn chỉnh nhƣ sau: Hình 3.19: Mach đệm cho 6 van IGBT 60
  72. 3.1.4. Viết chƣơng trình điều khiển cho động cơ Chƣơng trình điều khiển đƣợc viết bằng ngôn ngữ C trên phần mềm MPLAB và đƣợc biên dịch bằng C30 để chuyển sang file hex để nạp vào mạch điều khiển thông qua mạch nạp. Chƣơng trình điều khiển của động cơ đƣợc hình thành từ các module, các module này là các hàm đã đƣợc khai báo sẵn và chỉ cần đƣa vào chƣơng trình chính để thực hiện công việc của mình cần. Quá trình lập chƣơng trình cho động cơ đƣợc tiến hành qua các bƣớc: + Thử tính ổn định của mach điều khiển bằng cách lập trình đơn lẻ các module chức năng của vi điều khiển nhƣ kiểm tra các chế độ vào ra của Port bằng cách hiển thị qua LED, kiểm tra làm việc ADC của vi điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung của module PMW. + Sau khi kiểm tra xong các module thi chúng ta tiến hành lắp gép và lập trình chƣơng trình điều khiển động cơ với mạch vòng hở để kiểm tra xem việc phát xung cho các van đã đúng chƣa sau đó thì mới tiến hành lạp trình cho mạch vòng kín với hai mạch vòng phản hồi dòng điện và tốc độ. + Sau khi lập trình mạch vòng hở xong thì lấy các tham số của PID ở phần tổng hợp và mô phỏng cho mo hình động cơ để đƣa vào thuật toánvà tính toán ra giá trị đặt cho các thanh ghi PCDx. 3.1.4.1. Lập trình cho mạch vòng hở. Lƣu đồ cho chƣơng trình mạch vòng hở điều khiển động cơ BLDC. Tiến trình của lƣu đồ là khi có sự khởi động cho chƣơng trình chạy bằng một nút bấm thì chƣơng trình đƣợc thực hiện. Khi đó vi điều khiển thực hiện đặt các cổng vào ra cho các PORT sau đó thực hiện các hàm mà chƣơng trình đã định sẵn. Khi đó các cảm biến Hall đƣợc đọc về qua Port B thông qua 3 chân. Sau khi có tín hiệu của Hall thì chƣơng trình so sánh giá trị Hall với các giá trị trong bảng đã định sẵn, các giá trị này đƣợc lấy từ bảng chuyển mạch ở chƣơng 2. Sau khi đã chọn đƣợc giá trị theo bảng đã 61
  73. định sẵn thì giá trị này đƣợc gán vào thanh ghi OVDCON để quyết định sự làm việc cho các chân PMW đầu ra. Trong chế độ lập trình này thì chọn điều rộng xung cho nhóm van cao còn trong thời gian 600 thì nhóm van dƣới đƣợc để ở chế độ dẫn liên tục toàn khoảng. Để điều chế độ rộng xung thì chƣơng trình phải đặt giá trị ch các thanh ghi PCDx đây là các thanh ghi quyết định phần trăm giá trị băm của xung. Nếu để 3 giá trị thanh ghi PCDx băng nhau và giá trị của thanh ghi PTPER thì tín hiệu ra của vi điều khiển sẽ đƣợc điều chế với độ rộng xung là 50 . Sau khi nạp tín hiệu ban đầu cho thanh ghi PCDx thì chƣơng trình thực hiện đọc giá trị đặt từ các cổng ADC đã đƣợc chƣơng trình định sẵn. Sau khi đọc xong thì nạp giá trị vào các thanh ghi PCDx đẻ thực hiện thay đổi tốc độ động cơ. Chƣơng trình vẫn tiếp tục chạy cho đến khi có hiệu lệnh dừng. 62
  74. Hình 3.20: Lƣu đồ chƣơng trình mạch vòng hở điều khiển động cơ BLDC 3.1.4.2. Chƣơng trình mạch vòng kín Hình 3.21: Lƣu đồ chƣơng trình mạch vòng kín điều khiển động cơ BLDC Lƣu đồ chƣơng trình mạch vòng kín cũng tƣơng tự nhƣ lƣu đồ của mạch vòng hở, nó chỉ khác lƣu đồ mạch vòng hở là có thêm tính toán các giá trị phản hồi dƣa ra các giá trị đặt cho các bộ điều khiển đã đƣợc lập trình sẵn trong chƣơng trình. Chƣơng trình mạch vòng kín đƣợc thiết kế trình tự làm việc là: sau khi nhận đƣợc tín hiệu khởi động thì vi điều khiển khởi động chƣơng trình đặt chế độ cổng vào ra cho các Port và thực hiện đọc giá trị của cảm biến 63
  75. Hal về và chọn ché độ phát xung PMW cho các đầu ra theo bảng đã định sẵn.Tín hiệu phát xung đầu ra đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi giá trị của ba thanh ghi PCDx. Sau khi phát xung ban đầu thì vi điều khiển thức hiện đọc các tín hiệu về từ các công ADC đã đặt sẵnvà thực hiện công việc tiếp theo là so sánh giá trị đặt tốc độ của động cơvà giá trị phản hồi bằng ADC thông qua đầu vào đã đƣợc định sẵn. Giá trị sai lệch giữa hai giá đặt và thực đƣợc khếch đại và tích phân để đƣa ra giá trị đặt cho bộ điều khiển dòng điện. Khi đó vi điều khiển lấy giá trị đặt của dòng điện trừ đi giá trị phản hồi qua ADC để đƣa ra tín hiệu đặt cho 3 thanh ghi PCDx để thực hiện phát xung mở van cho bộ nghịch lƣu. Chƣơng trình làm việc cho đến khi có tín hiệu dừng. 3.2. THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO ĐỘNG CƠ BLDC. 3.2.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơ BLDC Đối với động cơ công suất lớn dùng trong công nghiệp nhƣ động cơ mà đề tài đang đề cập đến thì nguồn một chiều cấp cho động cơ BLDC không thể dùng các bộ nguồn điện một chiều có sẵn nhƣ acquy vì các bộ nguồn điện một chiều này không đủ năng lƣợng để cấp điện cho động cơ. Vì vậy các động cơ có công suất lớn sẽ phải có một bộ chỉnh lƣu để tạo ra điện áp một chiều cho động cơ. Ngoài ra đối với động cơ BLDC để cho động cơ quay thì chúng ta phải cấp điện cho các cuộn dây stato của động cơ theo quy luật đã định sẵn. Để cấp điện thứ tự cho các cuôn dây thì sau khi chỉnh lƣu ra điện áp một chiều chúng ta cho qua bộ nghịch lƣu nguồn áp để cấp nguồn cho động cơ. Hình 3.22: Sơ đồ biến đổi cho động cơ BLDC 64
  76. Trong hình 3.22 thì có dùng thêm biến áp tự ngẫu trƣớc bộ chỉnh lƣu để hạn chế dòng điện ban đầu khi đóng mạch vào nếu để điện áp quá lớn thì dòng điện chảy trong mạch chỉnh lƣu sẽ rất lớn nên có thể làm hỏng các van chỉnh lƣu cũng nhƣ các tụ lọc. Sau đây là phân tích cụ thể của từng khối trong sơ đồ biến đổi. 3.2.2. Biến áp tự ngẫu Hình 3.23: Cấu tạo của biến áp tự ngẫu Trong thực tế thì có thể dùng một điện trở khởi động để hạn chế dòng điện chảy qua các van khi thực hiện nạp cho tụ. Sau khi tụ đƣợc nạp đầy thì chúng ta thực hiện cắt bỏ điện trở đi bằng cách điều khiển một van bán dẫn. Mở van bán dẫn để cho dòng điện chạy hầu hết qua van tức là ngắn mạch điện trở đi. Biến áp tự ngẫu còn có nhiệm vụ cách li nguồn mạch lực và nguồn cấp vì nếu có xảy ra sự cố ở bên phía mạch động lực thì không ảnh hƣởng tới nguồn cấp của lƣới. Vì trong quá trình ngiên cứu mạch thực ngiệm thì xảy ra ngắn mạch là có thể xảy ra. 3.2.3. Mạch chỉnh lƣu Mạch chỉnh lƣu có rất nhiều loại nhƣng chủ yếu xoay quanh các mạch chỉnh lƣu cơ bản là chỉnh lƣu một pha một nửa chu kỳ, chỉnh lƣu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa, chỉnh lƣu cầu một pha, chỉnh lƣu hình tia ba pha, chỉnh lƣu cầu ba pha. Đối với nguồn cấp cho động cơ BLDC thì tích chất của nguồn điện là phải phẳng để hạn chế sự nhấp nhô điện áp 65
  77. có thể làm hỏng van khi van đƣơc băm với tần số lớn khoảng trên vài KHz. Vì thế chúng ta phải lựa chọn mạch chỉnh lƣu sao cho dạng điện áp ra phẳng thì càng tốt khi đó chúng ta thực hiện điều chế độ rộng xung PWM với tần số cao nên có thể điều khiển động cơchay trơn và mở rộng đƣợc vùng tốc độ điều chỉnh. Đối với động cơ BLDC công suất 30 kW thì chúng không thể dùng đƣợc các bộ chỉnh lƣu một pha vì nó cho chúng ta công suất đầu vào thấp vì điện áp thấp nếu vẫn sử dụng thì dòng điện chạy trong các van là rất lớn nên việc đầu tƣ khá tốn kém mà hiệu quả đƣa lại thì không đƣợc tốt. Vì vậy đối với loại động cơcó công suất lớn nhƣ thế nŕy thë chúng ta nęn sử dụng các bộ chỉnh lƣu 3 pha vë nó có thể cung cấp đƣợc công suất đầu vào lớn. Đồng thời công suất đƣợc chia làm 3 pha nên công suất trên mỗi pha bé đi một phần ba nên dòng điện chạy qua các van cũng bé đi một phần 3. Vì thế việc tính chọn cho mạch chỉnh lƣu sẽ đơn giản và ít tốn kém hơn. Khi sử dụng mạch chỉnh lƣu 3 pha thì chúng ta sẽ đi đến hai lựa chọn chủ yếu là chỉnh lƣu hình tia và chỉnh lƣu cầu. Trong đó thì chỉnh lƣu hình tia thì hệ số nâng điện áp sau chỉnh lƣu thấp do biên độ điện áp chỉ là một cực nên hệ số nâng điện áp thấp. Động cơ BLDC thì điện áp vào của động cơlà 640(V) nên nếu dùng chỉnh lƣu hình tia thì điện áp rơi trên van là ca điện áp cấp cho động cơcòn dùng chỉnh lƣu cầu thì điện áp này đƣợc chia rơi trên hai van nên điện áp rơi trên van bé hơn nên thuận lợi cho việc tínhchọn van. Động cơ BLDC có hai bộ biến đổi là bộ chỉnh lƣu và bộ nghịch lƣu nên khi điều khiển thay đổi tốc độ của động cơcó thể dùng hai cách: - Thay đổi điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch lƣu tức là thực hiện điều khiển các van chỉnh lƣu tiristor. Còn các van nghịch lƣu chỉ đóng vai trò dẫn dòng mà không thay đổi đóng cắt cho van. - Thay đổi điện áp đặt lên động cơ tức là bằng cách đóng mở van 66
  78. của bộ nghịch lƣu để thay đổi điên áp trung bình đặt lên van. Hay là thực hiện thay đổi độ rộng xung để thay đổi điện áp ra. Khi đó thì chúng ta đi đến hai quyết định là sử dụng chỉnh lƣu cầu có điều khiển hay không điều khiển. Dƣới đây là cấu trúc của hai bộ chỉnh lƣu vừa đƣợc nêu ở trên. Hình 3.24: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu 3 pha có điều khiển Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lƣu cầu diot Trong hình 3.25 thì tụ điện C có vai trò san phẳng điện áp để cho điện áp một chiều cấp cho động cơ là bằng phẳng. Dƣới đây là dạng điện áp sau chỉnh lƣu của chỉnh lƣu cầu diot: 67
  79. Hình 3.26: Sơ đồ điện áp chỉnh lƣu cầu diot 3.2.4. Mạch nghịch lƣu Bộ nghịch lƣu đƣợc sử dụng là nghịch lƣu độc lập vì đối với động cơ BLDC thì các cuộn dây stator đƣợc cấp theo bảng nên phải thực hiện đóng mở van theo bảng. Đối với các loại động cơ nhỏ thì có thể dùng van MOSFET còn đối với các loại động cơ lớn thì do van Mosfet không chịu đƣợc các dòng lớn nên phải sử dụng van IGBT. 3.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT IGBT là phân tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của Mosfet và khả năng chịu dòng của transistor thƣờng. Van IGBT đƣợc điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ. Van IGBT dƣới tác dụng của điện áp UGE>0 kênh dẫn với các hạt mang điện là điện tử đƣợc hình thành, các điện tử di chuyển về phía colector vƣợt qua lớp tiếp giáp n-p nên tạo ra quá trình dẫn dòng. 68
  80. Hình 3.27: Cấu trúc bán dẫn và cấu trúc tƣơng đƣơng của van IGBT 3.2.4.2. Đặc tính đóng cắt của van IGBT a. Quá trình mở IGBT Quá trình mở IGBT xảy ra khi điện áp điều khiển tăng từ không đến giá trị UG. Trong thời gian trễ khi mở tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ CGE làm điện áp giữa cực điều khiển và emitor tăng theo quy luật hàm mũ từ không đến giá trị ngƣỡng UGE, điện áp này vào khoảng từ 3-5V. Khi có đủ điện áp thì mosfet trong van IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colector và emitor tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải I0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và emitor tăng đến giá trị UGE,Io xác định giá trị dòng I0 qua colector. Do diotde D0 còn đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều UDC. Tiếp theo quá trình mở diễn ra hai giai đoạn tfv1,tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này thì điện áp giữa hai cực điều khiển và cực emitor đƣợc giữ nguyên ở mức UGE,Io để duy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ CGE nên IGBT vẫn làm việc trong chế độ tuyến tính. Vì vậy trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khoá và phục hồi của diode D0 tạo nên xung dòng trên mức I0 của IGBT. Khi đó điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hoà. Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colectơ dẫn đến điện trở giữa colectơ và emitơ về giá trị RON thì khoá bão hoà. Tổn hao năng lƣợng khi mở đƣợc tính gần đúng theo công thức: QQN = .ton Nếu tính thêm ảnh hƣởng của quá trình phục hồi của Diôt D0 thì tổn hao năng lƣợng sẽ lớn hơn do xung dòng trên colectơ. 69
  81. Hình 3.28: Sơ đồ thử nghiệm khoá IGBT Các quá trình dẫn của van IGBT đƣợc mô tả trên hình 3.29 Hình 3.29: Đồ thị thể hiện sự dẫn dòng của van IGBT b. Quá trình khoá IGBT Quá trính khoá bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG, trong thời gian trễ khi khoá thì khi đó điện áp trên cực điều khiển và cực emitor giảm xuống do sự phóng điện của tụ CGE nên điện áp GE giảm xuống UGE,Io và đƣợc giữ không đổi do điện áp UCE bắt đầu tăng lên do đó 70
  82. thì tụ CGC bắt đầu đƣợc nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn nạp cho tụ CGE nên điện ap UGE đƣợc giữ không đổi. Điện áp UCE tăng bão hoà trong khoảng thời gian trv. Từ cuối khoảng trv thì diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng I0 ngắn mạch chạy qua do đó dòng colector bắt đầu giảm. Quá trình này trải qua hai giai đoạn ban đầu thì dòng chạy qua mosfet nhanh chóng giảm xuống không và khi điện áp điều khiển là -UG thì van đƣợc khoá hoàn toàn. Các quá trình khoá của van IGBT đƣợc mô tả trên hình 3.30. Hình 3.30: Đồ thị thể hiện quá trình khoá của van IGBT 3.2.4.3. Lựa chọn mạch nghịch lƣu Do động cơ BLDC có cấu tạo stator là ba cuộn dây nên bộ nghịch lƣu đƣợc sử dụng là bộ nghịch lƣu 3 pha nguồn áp. Sơ đồ bộ nghịch lƣu đƣợc trình bày ở hình 2.35 71
  83. Hình 3.31: Sơ đồ bộ nghịch lƣu áp ba pha Sau khi chọn xong các bộ biến đổi thì thực hiện ghép các bộ biến đổi laị với nhau và có đƣợc mô hình của mạch lực của động cơ BLDC nhƣ sau: 72
  84. Hình 3.32: Sơ đồ mạch lực của động cơ BLDC 3.2.5. Tính toán tham số mạch lực 73
  85. Sau khi thiết kế xong mạch lực cho động cơ BLDC thì việc tiếp theo là đi tính chọn các tham số cho các phần tử trong mạch. Ta có tham số của động cơ nhƣ sau: Pđm=30(kW) Iđm=72(A) 3.2.5.1. Tính chọn mạch chỉnh lƣu Điện áp sau chỉnh lƣu cầu ba pha là: Ud = 2.34xU2 Mà: Id=Iđm=72(A) Dòng qua diot là: ID=Id/3=72/3=24(A) Điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên van là: Ung=2.45xU2 Điện áp sau chỉnh lƣu là: Ud=640(V) U2=Ud/2.34=640/2.34=273(V) Ung=2.45xU2=2.45x273=668.85(V) Chọn hệ số an toàn Ku=2 nên: Ungvan=KuxUng=2x668.85=1337.7(V) Làm mát cho van bằng tản nhiệt nhôm nên chọn hệ số dữ trữ cho van là Ki=5 nên: IV=KixID=5x24=120(A) Khi đó cần chọn van có dòng điện chảy qua van và điện áp ngƣợc đặt lên 74
  86. van phải lớn hơn hai thông số sau: UV=1337.7(V), IV=120(A) Chọn bộ chỉnh lƣu cầu đƣợc tích hợp cả 6 van diot trên cùng một van. Tên van SEMIKRON-SKD 160/16 có IV=160(A) và UV=1600(V). 3.2.5.2. Tính chọn mạch nghịch lƣu Do sử dụng bộ nghịch lƣu ba pha nên tại mỗi thời điểm chỉ có hai van của bộ nghich lƣu dẫn để cấp điện cho các cuộn dây. Vì vậy khi đó điện áp ngƣợc đặt lên van còn lại chính là điện áp sau chỉnh lƣu. Điện áp ngƣợc đặt lên van IGBT là: Ung=Ud=640(V) Điện áp ngƣợc đặt lên diode: Ung=Ud/2=640/2=320(V) Dòng điện chảy qua van IGBT là: IIGBT=Id/2=72/2=36(A) Dòng điện chảy qua diode là: ID=Id/2=72/2=36(A) Chọn hệ số an toàn: Ku=1.8 Điện áp ngƣợc của van IGBT là: Ungvan=KuxUng=1.8x640=1152(V) Điện áp ngƣợc của diode là: Ungvan=KuxUng=1.8x320=576(V) Do tản nhiệt cho van là loại tản nhiệt nhôm nên chọn hệ số dự trữ là: Ki=5 nên: IV=KixIIGBT=5x36=180(A) Dòng chảy qua diode là: IVD=KixID=5x36=180(A) Khi đó cần chọn van có dòng điện chảy qua van và điện áp ngƣợc đặt lên 75
  87. van phải lớn hơn hai thông số sau: UV =1152(V), IV =180(A) Chọn van nghịch lƣu là loại đơn nên phải có 6 van để ghép thành mạch nghịch lƣu. Tên van MBN200F12 của hãng HITACHI có các thông số: I=200(A), U=1200(V), UGE= 20(V), ton=0.5 s, toff=1 s 3.2.5.3. Tính chọn tụ lọc Tụ điện có vai trò san phẳng điện áp vì thế dòng điện xoay chiều chạy qua tụ càng nhiều thì chất lƣợng điện áp ra càng phẳng tức là loại đƣợc các sóng bậc cao. Vì thể tụ có dung lƣợng càng lớn thì lọc càng tốt. Để chọn tụ chúng ta dùng công thức: C= .(1-ln2) Để đơn giản ta tính chọn tụ theo công thức. C= = = =0,238(F) 76
  88. CHƢƠNG 4. TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNGVÀ MÔ PHỎNG 4.1. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ DÒNG ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ BLDC 4.1.1. Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than Động cơ BLDC có 3 cuộn dây stator và rotor đƣợc làm bằng nam châm vĩnh cửu. Nếu thực hiện việc thiết kế bộ điều khiển cho động cơ trong mối quan hệ điện - từ - cơ giữa các pha của stator, giữa stator với roto thì khối lƣợng công việc sẽ rất lớn thậm chí là không thể nếu thực hiện tính toán bằng tay. Vì vậy việc xây dựng mô hình động cơ thƣờng đƣợc làm đơn giản hóa bằng cách đƣa về phân tích mô hình tƣơng đƣơng 1 pha của động cơ. Đây cũng là bƣớc cơ sở để đem lại mô hình của bộ điều khiển. Các thông số của bộ điều khiển có thể sẽ đƣợc hiệu chỉnh lại sau khi tiến hành ghép nối với toàn bộ hệ thống. Mạch tƣơng đƣơng 1 pha của động cơ BLDC đƣợc trình bày trong hình 4.1. Hình 4.1: Mạch tƣơng đƣơng một pha động cơ BLDC Với mạch trên, phƣơng trình cân bằng điện áp sẽ là: 77
  89. V=R.i+L. + e = R.i+L. + Ke . m (4-1) Do từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu là không đổi nên momen điện từ M sẽ tỷ lệ với dòng điện: M=Kt .I (4-2) Trong chƣơng trƣớc, phƣơng trình động học của động cơ đã đƣợc trình bày, nếu bỏ qua thành phần hệ số nhớt do rất nhỏ, sẽ có: M=(Jm + Jc). + Mc (4-3) Chuyển (4-1) sang dạng sử dụng toán tử Laplace đƣợc: V=R.I+L.s.I+Ke. m = (L.s+R).I+Ke. m I= (4-4) Kết hợp hai phƣơng trình (4-2) và (4-3) ta có M-Mc=(Jm+Jc).s. m = Kt .I -Mc m = (4-5) Từ (3-4), (4-5) suy ra mô hình động cơ một chiều không chổi than nhƣ sau: Hình 4.2: Mô hình tƣơng đƣơng 1 pha động cơ BLDC 4.1.2.Tổng hợp các bộ điều chỉnh của động cơ BLDC Trong lĩnh vực truyền động điện, một trong những khâu quan trọng nhất là tổng hợp các bộ điều chỉnh bởi bộ điều chỉnh chính là yếu tố quyết 78
  90. định chất lƣợng động và tĩnh của hệ truyền động điện. Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh là khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ và tạo hàm điều khiển để đảm bảo chất lƣợng. Đầu vào của bộ điều chỉnh thông thƣờng là tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của hệ thống. Đầu ra của bộ điều chỉnh có thể đƣợc dùng làm tín hiệu điều khiển đƣa đến đầu vào của bộ điều chỉnh khác hoặc làm tín hiệu điều khiển một đối tƣợng khác trong hệ truyền động . Tùy thuộc vào loại tín hiệu điều khiển mà ngƣời thiết kế có thể sử dụng các bộ điều chỉnh tƣơng ứng. Có thể là bộ điều chỉnh số, tƣơng tự, bộ điều chỉnh xung bộ điều chỉnh thích nghi . Ngày nay, một trong những bộ điều chỉnh thông dụng nhất là bộ Tỷ lệ Tích phân Vi phân PID bởi sự đơn giản trong cấu trúc cũng nhƣ trong các phƣơng pháp tìm tham số. Khi tổng hợp bộ điều chỉnh (tìm ra cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh) cho các hệ truyền động nhiều thông số, ngƣời ta thƣờng phân tích hệ thống thành nhiều vòng lặp, mỗi vòng lặp đại diện cho một thông số và các bộ điều chỉnh của các vòng lặp đƣợc nối cấp với nhau. Cho đến nay, chƣa có nhà khoa học nào tìm ra đƣợc một phƣơng pháp chung để tổng hợp các bộ điều chỉnh nối cấp hoặc các phƣơng pháp đã có thì cũng chƣa thật hoàn thiện bởi vì mỗi hệ thống khác nhau thì độ phức tạp cũng khác nhau. Thực chất, mục tiêu cuối cùng của các phƣơng pháp là tìm ra bộ tham số tối ƣu cho bộ điều chỉnh. Hiện nay để tổng hợp, các phƣơng pháp tính toán gần đúng đƣợc sử dụng nhiều. Nó mang tính định hƣớng trong thiết kế cũng nhƣ trong việc chỉnh định và vận hành hệ truyền động . Có hai tiêu chuẩn tối ƣu phổ biến, đó là tiêu chuẩn module tối ƣu và tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng. Mỗi một tiêu chuẩn có phạm vi ứng dụng riêng và ƣu nhƣợc điểm cụ thể. Tùy thuộc vào độ phức tạp của hệ thống thực tế mà việc lựa chọn tiêu chuẩn để tổng hợp cũng khác nhau. 79
  91. Luận văn sẽ sử dụng 2 tiêu chuẩn tối ƣu này để thiết kế các bộ điều chỉnh cho động cơ BLDC. Cụ thể là động cơ với các tham số sau: 80
  92. Điện trở một pha: Rư = 0.38205 ( ) -3 Điện cảm một pha: Lư = 11.475.10 (H) Tốc độ không tải: n0 = 2069 (v/ph) 0 = 216.555 (rad/s) Dòng định mức: Iđm = 72(A) Momen định mức: 249.11(N.m) 2) Momen quán tính: Jm = 0.185(kg.m Hệ số momen: Kt = 2.54 (N.m/A) Hệ số sức điện động : Ke =2.25(V/rad/s) Số cặp cực: p=4 Điện áp định mức: Vđm = 640 (V) 4.1.3. Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha động cơ BLDC Khi điều khiển động cơ bất kỳ, tham số cần quan tâm đầu tiên là dòng điện và tốc độ. Điều khiển tốc độ để đảm bảo tốc độ thực của động cơ luôn phải bám theo một lƣợng đặt cho trƣớc. Điều khiển dòng điện của động cơ cũng chính là điều khiển momen, đảm bảo động cơ luôn cấp một lƣợng momen ứng với yêu cầu của tải. Tuy nhiên, sự phù hợp giữa momen và tốc độ phải tuân theo đƣờng đặc tính cơ của động cơ. Sơ đồ hệ thống điều khiển một pha của động cơ BLDC đƣợc trình bày trong hình 4.3 sau: Hình 4.3: Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha động cơ BLDC Trong mô hình trên, hai bộ điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh dòng 76
  93. điện tƣơng ứng là R và Ri. Bộ biến đổi ở đây là bộ chuyển mạch dùng 6 van MOSFET mắc theo kiểu nghịch lƣu nguồn áp. Các phần tử đo gồm đo tốc độ sử dụng phát tốc hoặc Encoder và đo dòng điện sử dụng điện trở shunt hoặc máy biến dòng. 4.1.4. Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển 4.1.4.1. Khối bộ biến đổi Hàm truyền của bộ biến đổi có dạng: Wbd= (4-6) Trong đó, Tdk và Tvo lần lƣợt là các hằng số thời gian mạch điều khiển và hằng số thời gian chuyển mạch nghịch lƣu của van bán dẫn. Hệ số khuếch đại đƣợc tính theo tỷ số giữa điện áp ra khỏi bộ biến đổi và điện áp điều khiển đặt vào bộ biến đổi. Kbd= = =32 (4-7) Do tốc độ lớn nhất của động cơ là 216,555 rad/s nên tần số lớn nhất của động cơ là fmax = 216,555/(2.3.14) = 33,9 Hz. Nếu dùng phƣơng pháp điều khiển PWM thì tần số PWM phải lớn hơn 10 lần tần số lớn nhất của động cơ, nhƣ vậy tần số chuyển mạch tối thiểu của một pha dùng PWM sẽ là: 3x33,9x10 = 1017 Hz. Do đó, thời gian điều khiển Tdk cần phải tuân theo biểu thức: Tdk =0,00098 (4-8) 82
  94. Chọn Tdk = 0,00098 (s) Chọn thời gian Tvo = 0,0001(s) Nhƣ vậy, bộ biến đổi đƣợc biểu diễn bởi hàm truyền: Wbd= (4-9) Từ phƣơng trình (4.6) ta có: Wbd= (4-10) Đặt: Tbđ=Tđk+Tv0=0.00098+0.0001=0.00108 (4-11) Ta có thành phần Tdk và Tv0 nhỏ nên thành phần Tđk.Tv0 là rất bé nên có thể bỏ qua thành phần này. Khi đó ta có thể bỏ thành phần vi phân bậc cao ở mẫu số. Do đó, hàm truyền của bộ biến đổi sẽ là: Wbd= (4- 12) Sau khi tối giản hàm truyền của bộ biến đổi thì hàm truyền này đƣợc dùng thực hiện tổng hợp bộ điều khiển để cho quá trình tổng hợp trở nên đơn giản hơn. 4.1.4.2. Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng Bộ đo dòng điện có thể đƣợc chọn là một khâu trễ với dạng hàm truyền nhƣ sau: Wi= (4-13) 83
  95. Để tránh bão hòa bộ điều khiển, cần phải tính toán với các thông số lớn nhất. Trong trƣờng hợp này, cần phải tính với dòng điện lớn nhất của động cơ là lúc dòng mở máy là: Ikhởi động = 123 (A) Hệ số khuếch đại dòng: Ki=Urađm/Ikhởi động =10/123=0,0578 Chọn hằng số thời gian: Ti = 0,0001 (s) (4-14) Do đó hàm truyền của bộ phản hồi dòng điện: Wi= (4- 15) 4.1.4.3. Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ Khâu phản hồi tốc độ có hàm truyền: (4-16) Trong đó: = Urađm/ max = 10/216.555 = 0,0461 Chọn hằng số thời gian khâu phản hồi tốc độ: = 0,001 (s) (4-17) Nhƣ vậy, hàm truyền bộ phản hồi tốc độ sẽ là: = (4-18) 4.1.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện Ta có đối với động cơ lớn thì momen quán tính của động cơ là khá lớn và hệ số nhớt B của trục động cơ là bé so với J nên ta có thể coi giá trị 84
  96. sức điện động chƣa kịp thay đổi trong khoảng thời gian mŕ dňng điện đã đáp ứng. Ta có hằng số thời gian điện từ là: Tƣ= Lƣ/Rƣ= 0.011475/0.38205 = 0.03 (s) (4-19) Hình 4.4: Mô hình mạch vòng dòng điện có xét tới ảnh hƣởng của BEMF động cơ BLDC Do động cơ công suất lớn nên ta có thể bỏ qua sự thay đổi của sức phản điện động E trong thời gian ngắn khi đó ta có thể đơn giản mạch vòng điều khiển dòng điện nhƣ sau: Hình 4.5: Mô hình mạch vòng dòng điện tối giản của động cơ BLDC Ta có hàm truyền của đối tƣợng là: Wdt= (4-20) 85
  97. Ta có hằng số thời gian Tbđ từ biểu thức (4.11), hằng số thời gian Ti từ biểu thức (4.14), hằng số thời gian Tƣtừ biểu thức (4.17) ta có Tƣlớn hơn nhiều lần so với Tbđ và Ti nên ta có thể xấp xỉ hai thành phần hằng số thời gian Tbđ và Ti lại với nhau, ta đƣợc: Ts = Tđk+Tvo+Ti = 0.00098+0.0001+0.0001=0.00118 (s) (4-21) Khi đó ta có hàm truyền đối tƣợng là: Wdt= (4-22) Khi đó áp dụng tiêu chuẩn tối ƣu modul cho đối tƣợng trên ta có bộ điều chỉnh dòng điện là khối PI. Bộ điều chỉnh dòng sẽ có dạng: Ri= (4-23) Trong đó: K= và T=Tƣ Thay số vào ta có: Ri= Khi đó hàm chuẩn của tiêu chuẩn tối ƣu module có dạng là. Fk= (4-24) 4.1.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ thì mạch vòng dòng điện đƣợc thay 86
  98. bằng hàm chuẩn và bỏ qua sự ảnh hƣởng của sức phản điện động và mômen cản vì trong thời gian nhỏ thì các thành phần thay đổi chậm. Hình 4.6: Mô hình mạch vòng tốc độ của động cơ BLDC Ta có dạng hàm chuẩn từ biểu thức (4-24) do hắng số thời gian Ts bé nên ta có thể bỏ qua thành phần s2 ở mẫu số của hàm chuẩn để thuận lợi cho việc tổng hợp. Khi đó ta có mô hình của mạch vòng tốc độ nhƣ sau: Hình 4.7: Mô hình tối giản mạch vòng tốc độ của động cơ BLDC Hàm truyền của hệ hở là: Wdt= (4-25) Ta có hằng số thời gian cơ : Tc= =0,0124(s) (4-26) Ta có trong biểu thức (4-20) thì có thể ƣớc lƣợng khâu quán tính bậc hai về khâu quán tính bậc nhất bằng cách giản ƣớc thành phần vi phân bậc hai vì hai hằng số thời gian Ts và bé nên tích của hai thành phần này có 87
  99. thể bỏ qua. Khi đó ta có hàm truyền hệ hở là: Wdt= (4-27) Áp dụng tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng cho đối tƣợng trên thì ta có bộ điều chỉnh tốc độ có dạng: (4- 28) Thay số vào ta có: R = Dạng hàm chuẩn của tiêu chuẩn tối ƣu đối xứng là: Fk= Điều kiện mô phỏng: Kp = 13.689 Ki = 1018.58 Giá trị đặt là 5.528 Ta có mô hình mạch vòng tốc độ trong trƣờng hợp chƣa có khâu lọc đầu vào: 88
  100. Hình 4.8: Mô hình mạch vòng tốc độ của động cơ BLDC khi chƣa có khâu lọc đầu vào Hình 4.9: Đặc tính mạch vòng tốc độ của động cơ BLDC khi chƣa có khâu lọc đầu vào Ta có mô hình mạch vòng tốc độ trong trƣờng hợp có khâu lọc đầu vào là: Hình 4.10: Mô hình mạch vòng tốc độ của động cơ BLDC khi có khâu lọc đầu vào 89
  101. Hình 4.11: Đặc tính mạch vòng tốc độ của động cơ BLDC khi có khâu lọc đầu vào 4.1.7. Mô phỏng mô hình một pha của động cơ BLDC Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển cho các mạch vòng điều chỉnh thì chúng ta thực hiện ghép hai mạch vòng lại và để có đƣợc cấu trúc của mô hình một pha với đẩy đủ các tham số của bộ điều khiển. Mục đích của việc thực hiện mô phỏng lại cấu trúc đẩy đủ là để kiểm tra xem quá trình tổng hợp đã đúng chƣa và các điều kiện bỏ qua khi tổng hợp có ảnh hƣởng đến kết quả mô phỏng của mô hình một pha hay không. Ghép các mạch vòng lại với nhau thì ta có cấu trúc một pha của động cơ BLDC là: Hình 4.12: Mô hình mô phỏng một pha của động cơ BLDC 90
  102. Điều kiện mô phỏng: R : Kp = 13.689 Ki = 1018.58 Ri : Kp = 3 Ki = 100 Giá trị đặt = 5.528 Hình 4.13: Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ Hình 4.14: Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện Nhận xét: Khi ghép hai mạch vòng lại thì kết quả đáp ứng tốc độ không thay đổi so với việc tổng hợp mạch vòng tốc độ còn đáp ứng dòng 91
  103. điện thì khi khởi động dòng điện động cơ lên khá cao. Vì vậy cần hiệu chỉnh lại bộ điều khiển và cho thêm khâu hạn chế dòng điện để cho dòng điện khởi động không lên quá cao có thể làm hỏng động cơ. Khi đó ta có mô hình một pha của động cơ BLDC nhƣ sau: Hình 4.15: Mô hình một pha có khâu hạn chế dòng điện của động cơ BLDC Sau quá trình hiệu chỉnh thì tìm ra đƣợc tham số của hai bộ điều khiển dòng điện và tốc độ nhƣ sau: Kp = 5 Ki =20 Ri Kp = 3 Ki = 100 Kết quả mô phỏng: 92
  104. Hình 4.16: Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ Hình 4.17: Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện Nhận xét kết quả mô phỏng: Sau khi hiệu chỉnh thì các kết quả đặc tính thu đƣợc cho thấy bộ điều chỉnh hai mạch vòng làm việc tốt. Dòng điện khởi động là 180(A) là điểm cao nhất của đặc tính dòng điện, với giá trị dòng điện định mức của động cơ là 72(A) thì giá trị trên hoàn toàn có thể chấp nhận. Khi đóng tải thì dòng điện của động cơ đã bám giá trị định mức với độ quá điều chỉnh rất bé không gây sốc cho động cơ nên không sinh ra các lực điện từ làm hỏng kết cấu của động cơ trong quá trình làm việc. Độ quá điều chỉnh của tốc độ động cơ là 9.8% . Tốc độ của động cơ sau một thời gian quá độ la tqđ=0.8s thì đã bám vào giá trị đặt, còn khi đóng tải thì tốc 93
  105. độ động cơ có sụt xuống và sau khoảng thời gian nhỏ tqđ=0.8s thì tốc độ động cơ lại quay lại bám giá trị đặt. 4.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình 3 pha của động cơ BLDC Sau khi thực hiện việc mô phỏng cho mô hình một pha của động cơ BLDC và tìm ra bộ điều khiển cho mạch vòng điều chỉnh thì chúng ta thực hiện xây dựng mô hình 3 pha của động cơ BLDC thông qua các phƣơng trình cơ điện đã có. 4.2.1. Xây dựng tổng quan mô hình hệ điều khiển động cơ BLDC Trong mô hình một pha cũng nhƣ trong phƣơng trình hàm truyền của động cơ BLDC thì chúng ta đều thực hiện việc giản ƣớc các ảnh hƣởng nhỏ đến chất lƣợng của hàm truyền đạt để thuận lợi cho việc tổng hợp cũng nhƣ xây dựng mô hình. Tuy nhiên trong quá trình mô phỏng cho động cơ mà xây dựng hệ thống từ các phần tử điện thực có thứ nguyên nhƣcuộn dây, điện trở, các van bán dẫn thì kết quả mà chúng ta nhận đƣợc sẽ chính xác hơn. Bên cạnh đó thì một số khâu có thể vẫn đƣợc tối giản để việc thiết kế đơn giản hơn và rút ngắn đƣợc thời gian mô phỏng nhƣ các thành phần của hệ điều khiển, các bộ phản hồi dòng, phản hồi tốc độ vẫn đƣợc trình bày dƣới dạng các hàm truyền đạt toán học. Đặc biệt là các bộ điều chỉnh hoàn toàn có thể sử dụng mô hình hàm truyền để mô phỏng vì trên thực tế các bộ điều chỉnh thƣờng đƣợc lập trình và đƣa vào vi điều khiển để thực hiện thuật toán. 94
  106. Mô hình hệ thống điều khiển động cơ tổng quát đƣợc trình bày trong hình 4.18: Hình 4.18: Hệ thống điều khiển động cơ BLDC Mô hình đƣợc xây dựng thành 3 khối chính là: + Khối bộ điều khiển: bao gồm các bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện, hạn chế dòng điện, khối tạo dạng dòng điện, khâu điều chế độ rộng xung. Tín hiệu vào của khối là tín hiệu đặt tốc độ, các tín hiệu phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ. Đầu ra là 6 xung điều khiển đƣợc điều biến độ rộng xung (PWM). + Khối bộ chuyển mạch: gồm 6 bóng MOSFET đấu theo kiểu nghịch lƣu nguồn áp. Đầu vào là 6 xung PWM cấp cho 6 van. Đầu ra của khối là 3 điện áp pha cấp cho động cơ. + Khối động cơ một chiều không chổi than: gồm động cơ BLDC đƣợc cấp điện 3 pha. Các giá trị dòng điện pha hay tốc độ thực sẽ đƣợc truyền về bộ điều khiển để làm tín hiệu phản hồi. Trên thực tế, trong trƣờng hợp này có 2 cách để lấy tín hiệu phản hồi dòng điện. Đó là lấy tín hiệu phản hồi về từ phía dòng mạch một chiều cấp cho bộ nghịch lƣu và tín hiệu phản hồi lấy trực tiếp trên các pha của động cơ. Phƣơng pháp lấy tín hiệu đầu tiên sẽ đơn giản và tiết kiệm hơn do chỉ 95
  107. cần dùng 1 phần tử đo dòng điện. Trong khi đó, nếu đo dòng ở cả 3 pha thì số lƣợng cảm biến dòng điện tăng lên và việc điều khiển sẽ phức tạp hơn do có 3 tín hiệu phản hồi cùng mức ƣu tiên. Tuy nhiên, ƣu điểm của phƣơng pháp này ở chỗ, nó đem lại tính chân thực của tín hiệu dòng điện thực chảy trong động cơ, đặc biệt là pha của tín hiệu dòng. Mục tiêu của việc mô phỏng là xem xét, tái tạo lại các đặc tính của đối tƣợng thực trên máy tính. Vì vậy đề tài sẽ chọn cách lấy phản hồi dòng điện trên cả 3 pha động cơ. 4.2.2. Mô hình động cơ BLDC Mô hình động cơ BLDC bao gồm 3 cuộn dây sator, 3 thiết bị đo dòng điện của các pha, khâu tính toán mômen điện từ, khâu tạo sức phản điện động , khâu quán tính của động cơ. Hình 4.19: Mô hình mô phỏng động cơ BLDC 96
  108. Sau đây là phân tích các thành phần cụ thể của mô hình động cơ BLDC 4.2.2.1. Phần mạch điện Mạch nguyên lý của động cơ BLDC đƣợc xây dựng bởi các thành phần điện trở, điện cảm, sức phản điện động . Mô hình mạch nguyên lý tƣớng ứng sẽ đƣợc ghép lại từ 3 pha và đƣợc nối thành mạch hình sao nhƣtrên hình 4.20: Hình 4.20: Mạch nguyên lý động cơ BLDC Phần mạch bao gồm 3 cuộn dây và 3 điện trở là các thành phần của cuộn dây stator của động cơ và 3 thành phần sức phản điện động thể hiện sự tƣơng tác giữa từ trƣờng rotor và từ trƣờng stator. Mỗi một nhánh là một pha bao gồm 1 điện trở và 1 cuộn dây đấu nối tiếp nhau và nối tiếp với một nguồn sức phản điện động. Do 3 cuộn dây của stator đặt lệch nhau 1200 nên tƣơng ứng sức phản điện động của 3 pha cũng lệch nhau 1200. Trên mỗi nhánh có đặt một phần tử Measurement để đo dòng điện pha rồi sau đó sẽ đƣợc phản hồi về bộ điều khiển. Đồng thời, dòng điện này là tham số cho việc tính toán momen điện từ của động cơ. 97
  109. 4.2.2.2. Phần tính toán momen Hình 4.21: Khâu tính toán momen Momen điện từ đƣợc tính toán dựa trên các thông tin về dòng điện, sức phản điện động và tốc độ đƣợc đƣa về từ các khối khác theo công thức (2- 11). Mô hình khâu tính toán momen đƣợc trình bày trong hình 4.21. Mô hình thực hiện việc nhân từng cặp sức phản điện động và dòng điện pha tƣơng ứng rồi tính tổng của chúng. Sau đó, kết quả sẽ đƣợc nhân với nghịch đảo của tốc độ động cơ. Cần lƣu ý trong công thức (2-11) ở thời điểm khi động cơ bắt đầu quay thì tốc độ động cơ bằng 0 rad/s nên nếu ta sử dụng công thức (2-11) thì sẽ gặp phải trƣờng hợp chia cho không nên mô hình sẽ không chạy đƣợc vì không thoả mãn điều kiện toán học. Vì vậy trong trƣờng hợp này chúng ta sử dụng một bộ chuyển mạch (Switch) theo nguyên lý sau: - Nếu giá trị tuyệt đối của tốc độ xấp xỉ bằng 0, đầu ra của chuyển mạch sẽ bằng đầu vào (tốc độ) cộng với 0.001. Đây chính là việc loại bỏ trƣờng hợp chia cho không. 98
  110. - Nếu giá trị tuyệt đối của tốc độ lớn hơn 0, đầu ra bộ chuyển mạch sẽ lấy trực tiếp giá trị của tốc đó. Momen điện từ sau khi tính toán sẽ trừ đi momen cản kết hợp với momen quán tính để có giá trị tốc độ động cơ theo công thức = .dt 4.2.2.3. Khối tạo dạng sức phản điện động Ta có giá trị sức phản điện động đƣợc tính theo công thức: E= Ke. Đối với động cơ BLDC có đặc tính sức phản điện động là hình thang nên khi mô phỏng cho mô hình của động cơ thì giá trị sức phản điện động của động cơ đƣợc tính toán từ các giá trị thực tế bằng cách dò điểm theo vị trí của rotor. Để lấy đƣợc các giá trị sức phản điện động của động cơ thì dùng một động cơ không đồng bộ 3 pha đƣợc điều khiển bằng biến tần để kéo cho động cơ BLDC quay với tốc độ cao thƣờng lấy là 1000 vòng/phút. Khi đó sử dụng osiloscope số để đo điện áp hai đầu một bối dây của stator của động cơ. Sau khi lấy đƣợc các giá trị từ thiết bị đo thì các giá trị sức phản điện động đƣợc đƣa vào bảng gồm có giá trị thời gian. Do đây là đặc tính thực của động cơ nên nó đóng vai trò rất quan trọng ảnh hƣởng đến chất lƣợng mô phỏng của động cơ. Vì vậy ở công đoạn này nếu việc đo đạc càng chính xác thì việc tìm hai bộ điều chỉnh để mô phỏng cho động cơ đúng là càng thuận lợi. Từ bảng giá trị sức phản điện động theo thời gian để đƣa đƣợc vào mô hình thì ta phải quy các giá trị sức phản điện động theo giá trị góc điện hoặc góc cơ. Trong mô hình mô phỏng sử dụng góc cơ tức là giá trị sức phản điện động sẽ tƣớng ứng với góc của rotor động cơ. Có hai cách để tạo ra dạng sức phản điện động đó là: + Dùng các khối tạo dạng tín hiệu để tạo ra dạng sức phản điện động 99
  111. theo hình thang. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là đơn giản nhƣng nó không thể hiện hết đƣợc tính chất thực tế của dạng sức phản điện động của động cơ vì dạng tín hiệu đƣợc đƣa ra là dạng hình thang bằng phẳng mà trong thực tế thì khe hở của rotor và stator nên nó có thể nhấp nhô. + Dùng bảng LookupTable để đƣa các giá trị đã đo đƣợc vào trong bảng theo dạng ma trận hai chiều. Bảng LookupTable có một đầu vào và một đầu ra, đầu vào là giá trị góc cơ của rotor động cơ còn đầu ra là giá trị sức phản điện động đã đo đƣợc ở tốc độ 1000 vòng/phút. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là chính xác hơn và thể hiện đƣợc sự nhấp nhô của sức phản điện động . Đồng thời do tín hiệu ra của sức phản điện động là 3 pha lệch nhau 1200 về góc pha nên để tạo đƣợc tín hiệu điện áp ra lệch thì chúng ta thực hiện cộng, trừ giá trị góc của rotor đi 1200 thì chúng ta sẽ có đƣợc tín hiệu của 3 pha lệch nhau. Cấu trúc của mô hình khối tạo sức phản điện động đƣợc mô tả trong hình 4.22: Hình 422 : Mô hình khối tạo dạng sức phản điện động Trong mô hình trên, có các khối chức năng gồm: + Khối rem(u,2*pi) còn gọi là khối chia lấy phần dƣ trong đó u là biến 100
  112. vào (số chia) còn 2*pi là số bị chia. Có thể giải thích khối này nhƣ sau: - Nếu u 2*pi, đầu ra của khối là phần dƣ của phép chia u/(2*pi). Trên mô hình 3.22 tốc độ sau khi qua khâu tích phân sẽ cho thông tin về vị trí của rotor tính theo radian (do tốc độ tính theo rad/s), mà vị trí của rotor luôn nằm trong đoạn [0,2*pi]. Vì vậy, hàm rem(0,2*pi) chính là khối giới hạn góc quay của rotor. Hình 3.23 cho thấy sự khác nhau của tín hiệu vị trí rotor trƣớc (4.23.a) và sau (4.23.b) khi đi qua khâu rem(). Hình 4.23: Đặc điểm tín hiệu của hàm rem(u,2*pi) (a) Tín hiệu vào trước rem(u,2*pi) (b) Tín hiệu ra sau rem(u,2*pi) + Khối Lookup Table là một khối chức năng trong bộ công cụ Simulink. Khối này đƣợc định nghĩa là khối hàm xấp xỉ một chiều, nó sử dụng các thông tin về các vector x, y đƣợc cung cấp để thực hiện phép tính toán xấp xỉ thành hàm y=f(x). Một cách đơn giản, nó là một bảng đối chiếu, ứng với một giá trị vào, khối sẽ đƣa ra một giá trị ra tƣơng ứng. Nếu giả sử đặt vào đầu vào một giá trị không có sẵn trong bảng, Lookup Table sẽ thực hiện tính xấp xỉ hóa giá trị đầu ra 101