TIỂU LUẬN Đề tài ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI THAN

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

<b>MÔN HỌC: MÁY ĐIỆN</b>

<b>TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 5 NĂM 2024</b>

<b> </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ DC không chổi than...5

CHƯƠNG 3: SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC……

10 3.1. So sánh động cơ DC không chổi than với động cơ khơng chổithan………….10

CHƯƠNG 4. TRÌNH TỰ GIAO TIẾP………12

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN...14

5.1. Tổng kết...14

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI</b>

<b>1.1.Đặt vấn đề</b>

Động cơ DC không chổi than (BLDC) là một trong những loại động cơ phổ biến hiệnnay. Động cơ BLDC được sử dụng trong các ngành cơng nghiệp như thiết bị gia dụng,Ơ tô, hàng không vũ trụ, y tế, và thiết bị tự động hóa cơng nghiệp. Đúng như tên gọi,động cơ BLDC không sử dụng chổi than để chuyển mạch; thay vào đó, chúng đượcchuyển mạch điện tử.

Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng.Một vài trong số đó là:

 Tốc độ tốt hơn so với đặc tính mơ-men xoắn  Phản hồi động cao

 Hiệu suất cao

 Tuổi thọ vận hành dài Vận hành không ồn ào Phạm vi tốc độ cao hơn

Ngoài ra, tỷ lệ mơ-men xoắn được cung cấp cho kích thước của động cơ cao hơn,khiến nó trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà không gian và trọng lượng là nhữngyếu tố quan trọng. Trong bài tiểu luận này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về cấu tạo,nguyên lý làm việc, đặc tính và ứng dụng điển hình của động cơ BLDC.

<b>1.2.Mục tiêu, phạm vị nghiên cứu</b>

Mục tiêu của bài tiểu luận là cung cấp cái nhìn tổng quan về động cơ tuyến tính. Đối với mục tiêu nêu trên, phạm vi của bài tiểu luận bao gồm:

 Định nghĩa động cơ tuyến tính là gì ?

 Ngun tắc hoạt động cơ bản của động cơ tuyến tính. Phân biệt các loại ĐCTT phổ biến.

<b>1.3.Hướng tiếp cận</b>

Bằng cách tìm kiếm, thu thập và nghiên cứu các nguồn dữ liệu mở về khoa học trêninternet như:

 Google scholar StudySmarter

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

 etel.ch

Ngồi ra bài tiểu luận cịn nghiên cứu thông qua các bài báo khoa học nghiên cứu vềđộng cơ tuyến tính cũng như các cataloge được các nhà sản xuất ĐCTT phát hành.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>Hình 2.1. Stator của động cơ BLDC</b>

Stator của động cơ BLDC bao gồm các lớp thép xếp chồng lên nhau với các cuộn dâyđược đặt trong các khe được cắt theo trục dọc theo khung bên trong (như trong Hình2.1). Nhìn chung, stator giống với động cơ cảm ứng; tuy nhiên, các cuộn dây đượcphân phối theo một cách khác. Hầu hết các động cơ BLDC đều có ba cuộn dây statorđược nối theo kiểu hình sao. Mỗi cuộn dây này được cấu tạo từ nhiều cuộn dây nốivới nhau để tạo thành một cuộn dây lớn. Một hoặc nhiều cuộn dây được đặt trong cáckhe và chúng được kết nối với nhau để tạo thành một cuộn dây. Mỗi cuộn dây nàyđược phân bố khắp khung ngoài stator để tạo thành số cực chẵn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Có hai loại biến thể cuộn dây stator: Động cơ hình thang và hình sin.

Sự khác biệt này được thực hiện trên cơ sở kết nối các cuộn dây trong cuộn dây statođể tạo ra các loại Lực điện động ngược (EMF) khác nhau. Tham khảo phần “EMF trởlại là gì?” phần để biết thêm thông tin. Như tên gọi của chúng đã chỉ ra, động cơ hìnhthang tạo ra EMF phía sau theo kiểu hình thang và EMF phía sau của động cơ hình sincó dạng hình sin (như trong Hình 2.2 và Hình 2.3)

<b>Hình 2.2. EMF phía sau theo kiểu hình thang</b>

<b>Hình 2.3. EMF phía sau của động cơ hình sin</b>

Ngồi EMF phía sau, dịng điện pha cũng có các biến thể hình thang và hình sin theotừng loại động cơ tương ứng. Điều này làm cho mô-men xoắn đầu ra của động cơ hìnhsin mượt mà hơn so với động cơ hình thang. Tuy nhiên, điều này đi kèm với một chiphí bổ sung, vì động cơ hình sin cần thêm các kết nối cuộn dây do sự phân bổ cuộn

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

dây ở khung stator, do đó làm tăng lượng đồng tiêu thụ của cuộn dây stator. Tùy thuộcvào khả năng cung cấp điện điều khiển, có thể chọn động cơ có định mức điện ápchính xác của stator. Động cơ có điện áp định mức 48 V hoặc thấp hơn được sử dụngtrong ô tô, robot, chuyển động của cánh tay nhỏ, v.v. Động cơ có điện áp 100 V hoặccao hơn được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, tự động hóa và trong các ứng dụngcơng nghiệp.

<b>2.1.2. Cấu tạo Rotor của động cơ DC không chổi than</b>

Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cửu và có thể thay đổi từ hai đến tám cặp cựcvới các cực Bắc (N) và Nam (S) xen kẽ.

Dựa vào mật độ từ trường u cầu trong rơto mà chọn vật liệu từ tính thích hợp để chếtạo rơto. Nam châm Ferrite thường được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Khicông nghệ tiến bộ, nam châm hợp kim đất hiếm ngày càng phổ biến. Nam châm ferriterẻ hơn nhưng chúng có nhược điểm là mật độ từ thông thấp trong một thể tích nhấtđịnh. Ngược lại, vật liệu hợp kim có mật độ từ tính cao trên mỗi thể tích và cho phéprơto nén thêm với cùng một mơ-men xoắn. Ngồi ra, các nam châm hợp kim này cảithiện tỷ lệ kích thước trên trọng lượng và tạo ra mơ-men xoắn cao hơn cho động cơcùng kích thước sử dụng nam châm ferrite. Neodymium (Nd), Samarium Cobalt(SmCo) và hợp kim của Neodymium, Ferrite và Boron (NdFeB) là một số ví dụ vềnam châm hợp kim đất hiếm. Các nghiên cứu đang được tiến hành liên tục để cải thiệnmật độ từ thơng để nén rotor hơn nữa. Hình 2.4 cho thấy các mặt cắt ngang của cáccách sắp xếp nam châm khác nhau trong rotor của động cơ DC.

<b>Hình 2.4. Mặt cắt ngang của một số cách sắp xếp nam châm khác nhau trongrotor của động cơ DC</b>

<b>2.1.3. Cảm biến Hall</b>

Khơng giống như động cơ DC có chổi than, chuyển mạch của động cơ BLDC đượcđiều khiển bằng điện tử. Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây stator phải được cấp

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

điện theo trình tự. Điều quan trọng là phải biết vị trí rotor để hiểu cuộn dây nào sẽđược cấp điện theo trình tự cấp điện. Vị trí rotor được xác định bằng cảm biến hiệuứng Hall được gắn vào stator. Hầu hết các động cơ BLDC đều có ba cảm biến Hallđược gắn vào stator ở đầu không dẫn động của động cơ. Bất cứ khi nào các cực từ củarôto đi qua gần cảm biến Hall, chúng sẽ đưa ra tín hiệu cao hoặc thấp, cho biết cực Nhoặc S đang đi qua gần các cảm biến. Dựa trên sự kết hợp của ba tín hiệu cảm biếnHall này, có thể xác định được trình tự giao hốn chính xác của rotor

Lý thuyết Hiệu ứng Hall: Nếu một dây dẫn mang dịng điện được giữ trong từ trườngthì từ trường tác dụng một lực ngang lên các hạt mang điện chuyển động có xu hướngđẩy chúng về một phía của dây dẫn. Điều này thể hiện rõ nhất ở một dây dẫn phẳngmỏng. Sự tích tụ điện tích ở hai bên dây dẫn sẽ cân bằng ảnh hưởng từ tính này, tạo ramột điện áp có thể đo được giữa hai bên dây dẫn. Sự hiện diện của điện áp ngang cóthể đo được này được gọi là hiệu ứng Hall theo tên E. H. Hall, người đã phát hiện ranó vào năm 1879.

<b>Hình 2.5. Mặt cắt ngang của động cơ BLDC</b>

Hình 2.5 cho thấy mặt cắt ngang của động cơ BLDC với rơto có nam châm vĩnh cửuN và S xen kẽ. Cảm biến Hall được gắn vào phần đứng yên của động cơ. Việc gắn cáccảm biến Hall vào stator là một quá trình phức tạp vì bất kỳ sự sai lệch nào trong cáccảm biến Hall này đối với các nam châm rotor sẽ tạo ra lỗi trong việc xác định vị trírotor. Để đơn giản hóa quá trình lắp cảm biến Hall vào stator, một số động cơ có thểcó nam châm cảm biến Hall trên rotor ngồi các nam châm rotor chính. Đây là phiênbản thu nhỏ của rotor, bất cứ khi nào rotor quay, nam châm cảm biến Hall đều cho tácdụng tương tự như nam châm chính. Cảm biến Hall thường được gắn trên bo mạch PCvà cố định vào nắp vỏ ở đầu không dẫn động. Điều này cho phép người dùng điềuchỉnh việc lắp ráp hoàn chỉnh các cảm biến Hall, căn chỉnh với các nam châm rotor đểđạt được hiệu suất tốt nhất. Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có hai phiên bản

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

đầu ra. Các cảm biến Hall có thể lệch pha nhau 60° hoặc 120°. Dựa trên điều này, nhàsản xuất động cơ xác định trình tự chuyển mạch cần tuân thủ khi điều khiển động cơ.Cảm biến Hall cần có nguồn điện. Điện áp có thể dao động từ 4 V đến 24 V. Dịngđiện u cầu có thể dao động từ 5 mA đến 15 mA. Trong khi thiết kế bộ điều khiểnphải tham khảo thông số kỹ thuật động cơ tương ứng để biết chính xác mức điện áp vàdòng điện của cảm biến Hall được sử dụng. Đầu ra của cảm biến Hall thường là loạicực thu hở. Có thể cần một điện trở kéo lên ở phía bộ điều khiển. Xem phần “Trình tựgiao hốn” để biết ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall và biết thêm chi tiết về trình tự giaohốn.

<b>2.1.4. Ngun lý hoạt động </b>

Mỗi chuỗi chuyển mạch có một trong các cuộn dây được cấp điện dương (dòng điệnđi vào cuộn dây), cuộn dây thứ hai là âm (dịng điện thốt ra khỏi cuộn dây) và cuộnthứ ba ở trạng thái không mang điện. Mô-men xoắn được tạo ra do sự tương tác giữatừ trường do cuộn dây stato tạo ra và nam châm vĩnh cửu. Lý tưởng nhất là mô-menxoắn cực đại xảy ra khi hai từ trường này vuông góc với nhau 90° và giảm dần khi cáctừ trường chuyển động cùng nhau. Để giữ cho động cơ hoạt động, từ trường do cuộndây tạo ra phải thay đổi vị trí, khi rơto chuyển động để bắt kịp từ trường của stato. Cáiđược gọi là “chuyển mạch sáu bước” xác định trình tự cấp điện cho cuộn dây. Xemphần “Chuỗi giao hốn” để biết thơng tin chi tiết và ví dụ về giao hốn sáu bước.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>CHƯƠNG 3: SO SÁNH DC KHÔNG CHỔI THAN VỚI CÁCĐỘNG CƠ KHÁC</b>

So với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng, động cơ BLDC có nhiều ưu điểmvà ít nhược điểm. Động cơ không chổi than ít cần bảo trì hơn nên có tuổi thọ cao hơnso với động cơ DC có chổi than. Động cơ BLDC tạo ra nhiều cơng suất đầu ra trênmỗi kích thước khung hơn so với động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng. Vì rơtođược làm bằng nam châm vĩnh cửu nên qn tính của rơto nhỏ hơn so với các loạiđộng cơ khác. Điều này cải thiện đặc tính tăng tốc và giảm tốc, rút ngắn thời gian vậnhành chu kỳ. Đặc tính tốc độ/mơ-men xoắn tuyến tính của chúng tạo ra khả năng điềuchỉnh tốc độ có thể dự đốn được. Với động cơ khơng chổi than, việc kiểm tra bằngchổi được loại bỏ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các khu vực và ứng dụng có khảnăng tiếp cận hạn chế, nơi khó bảo trì. Động cơ BLDC hoạt động êm hơn nhiều so vớiđộng cơ DC chổi than, giúp giảm nhiễu điện từ (EMI). Các mơ hình điện áp thấp lýtưởng cho hoạt động của pin, thiết bị cầm tay hoặc ứng dụng y tế.

<b>Tính năng DC khơng chổi thanDC có chổi thanChuyển mạch</b> Chuyển mạch điện tử dựa

trên cảm biến vị trí Hall. ^{Chuyển mạch thơng qua tiếp}xúc cơ khí

<b>Bảo trì</b> Ít cần bảo trì do khơng có

chi tiết bào mịn cơ khí ^{Cần bảo trì định kỳ chổi than}

<b>Cơng suất đầu ra </b> Cao, hiệu suất đạt

85-90% ^{Trung bình, hiệu suất đạt 65-}70%

<b>Quán tính rotor</b> Thấp do rotor nam châm

vĩnh cửu ^{Quán tính rotor cao hơn làm}hạn chế các đặc tính động.

<b>Phạm vi tốc độ</b> cao hơn – Khơng có giớihạn cơ học nào được ápđặt bởi chổi than/bổ góp.

Thấp hơn do Hạn chế cơ họccủa chổi

<b>Tiếng ồn </b> Hồ quang trong chổi sẽ tạo ra

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

tiếng ồn gây ra nhiễu điện từ(EMI) ở các thiết bị gần đó

<b>Chí phí </b> Cao do Rotor nam châmvĩnh cữu và cần cảm biến

Thấp hơn

<b>Điều khiển </b> Phức tạp và đắt đỏ Đơn giản và ít đắt đỏ hơn

<b>Yêu cầu điều khiển </b> Yêu cầu một bộ điềukhiển để giữ cho động cơhoạt động và một bộ điều

khiển tương tự có thểđược sử dụng để điều

khiển tốc độ.

Không cần bộ điều khiển chotốc độ cố định; chỉ cần mộtbộ điều khiển nếu muốn thay

đổi tốc độ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b> CHƯƠNG 4: TRÌNH TỰ GIAO TIẾP </b>

Trên đây ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall đối với EMF ngược và dịng pha. Hình 8 chothấy trình tự chuyển đổi cần được tuân theo đối với các cảm biến Hall. Các số thứ tựtrên Hình 7 tương ứng với các số cho trong Hình 8. Cứ sau 60 độ quay điện, một trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

các cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái. Vì điều này, phải mất sáu bước để hồn thànhmột chu trình điện. Đồng bộ, cứ sau 60 độ điện, việc chuyển đổi dòng pha phải đượccập nhật. Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể khơng tương ứng với một vịng quay cơhọc hồn chỉnh của rơto. Số chu kỳ điện được lặp lại để hồn thành một vịng quay cơhọc được xác định bởi các cặp cực của rôto. Đối với mỗi cặp cực rôto, một chu kỳđiện được hồn thành. Vì vậy, số chu kỳ/vịng quay điện bằng các cặp cực rơto. Hình9 thể hiện sơ đồ khối của bộ điều khiển dùng để điều khiển động cơ BLDC. Q0 đếnQ5 là các công tắc nguồn được điều khiển bởi vi điều khiển PIC18FXX31. Dựa trênxếp hạng điện áp và dịng điện của động cơ, các cơng tắc này có thể là MOSFET hoặcIGBT hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực đơn giản. Bảng 3 và Bảng 4 cho thấy trình tự bậtcác cơng tắc nguồn này dựa trên đầu vào cảm biến Hall, A, B và C. Bảng 3 dành chođộng cơ quay theo chiều kim đồng hồ và Bảng 4 dành cho động cơ quay ngược chiềukim đồng hồ. Đây là một ví dụ về tín hiệu cảm biến Hall có độ lệch pha 60 độ so vớinhau. Như chúng ta đã thảo luận trước đây trong phần “Cảm biến Hall”, các cảm biếnHall có thể lệch pha với nhau một góc 60° hoặc 120°. Khi tạo ra bộ điều khiển chomột động cơ cụ thể, cần tuân theo trình tự do nhà sản xuất động cơ xác định. Thamkhảo Hình 9, nếu các tín hiệu được đánh dấu bằng tín hiệu điều khiển tín hiệu điềukhiển xung điện xung quanh trục (PWMx) được BẬT hoặc TẮT theo trình tự, độngcơ sẽ chạy ở tốc độ định mức. Điều này giả định rằng điện áp bus DC bằng điện ápđịnh mức của động cơ, cộng với bất kỳ tổn thất nào trên các công tắc. Để thay đổi tốcđộ, các tín hiệu này phải được Điều chế độ rộng xung (PWM) ở tần số cao hơn nhiềuso với tần số động cơ. Theo nguyên tắc chung, tần sốPWM phải gấp ít nhất 10 lần tầnsố tối đa của động cơ. Khi chu kỳ làm việc của xung điều khiển xung điện thay đổitrong các chuỗi, điện áp trung bình cung cấp cho stato sẽ giảm, do đó làm giảm tốc độ.Một ưu điểm khác của việc cóPWM là nếu điện áp bus DC cao hơn nhiều so với điệnáp định mức của động cơ thì động cơ có thể được điều khiển bằng cách giới hạn tỷ lệphần trăm của chu kỳ làm việc của động cơ tương ứng với điện áp định mức của độngcơ. Điều này tăng thêm tính linh hoạt cho bộ điều khiển để kết nối các động cơ có điệnáp định mức khác nhau và khớp với đầu ra điện áp trung bình của bộ điều khiển vớiđiện áp định mức của động cơ bằng cách điều khiển chu kỳ hoạt động của động cơ.Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để kiểm sốt. Nếu tín hiệuPWM bị giới hạn trongbộ vi điều khiển, thì các cơng tắc phía trên có thể được bật trong tồn bộ thời giantrong trình tự tương ứng và cơng tắc phía dưới tương ứng có thể được điều khiển theochu kỳ nhiệm vụ cần thiết trênPWM. Chiết áp, được kết nối với kênh chuyển đổitương tự sang số trong Hình 9, dùng để thiết lập tham chiếu tốc độ. Dựa trên điện ápđầu vào này, cần tính tốn chu kỳ hoạt động của xung xung điện.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>Điều khiển vịng kín </b>

Tốc độ có thể được kiểm sốt trong một vịng khép kín bằng cách đo tốc độ thực tếcủa động cơ. Sai số về tốc độ cài đặt và tốc độ thực tế được tính tốn. Bộ điều khiểnTỷ lệ cộng với Tích phân cộng với Đạo hàm (P.I.D.) có thể được sử dụng để khuếchđại lỗi tốc độ và điều chỉnh động chu kỳ nhiệm vụ của CPU. Đối với các yêu cầu vềtốc độ có độ phân giải thấp, chi phí thấp, tín hiệu Hall có thể được sử dụng để đo phảnhồi tốc độ. Bộ đếm thời gian từ PIC18FXX31 có thể được sử dụng để đếm giữa hailần chuyển tiếp Hall. Với số đếm này, tốc độ thực tế của động cơ có thể được tínhtốn. Để đo tốc độ có độ phân giải cao, một bộ mã hóa quang học có thể được lắp vàođộng cơ, cung cấp hai tín hiệu có độ lệch pha 90 độ. Sử dụng các tín hiệu này, cả tốcđộ và hướng quay đều có thể được xác định. Ngồi ra, hầu hết các bộ mã hóa đều đưara tín hiệu chỉ số thứ ba, tức là một xung trên mỗi vòng quay. Điều này có thể được sửdụng cho các ứng dụng định vị. Bộ mã hóa quang học có sẵn với các lựa chọn khácnhau về Xung mỗi vòng quay (PPR), từ hàng trăm đến hàng nghìn.

<b>CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN </b>

Tóm lại, động cơ BLDC có ưu điểm hơn động cơ DC chổi than và động cơ cảm ứng.Chúng có đặc tính tốc độ so với mơ-men xoắn tốt hơn, phản ứng động cao, hiệu suấtcao, tuổi thọ hoạt động dài, hoạt động không ồn ào, phạm vi tốc độ cao hơn, kết cấuchắc chắn, v.v. Ngồi ra, mơ-men xoắn truyền tới kích thước động cơ cao hơn, khiếnnó trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà khơng gian và trọng lượng là những yếu tốquan trọng. Với những ưu điểm này, động cơ BLDC được ứng dụng rộng rãi trong cácngành công nghiệp ô tô, thiết bị, hàng không vũ trụ, tiêu dùng, y tế, thiết bị đo đạc vàtự động hóa.

</div>