đồ án thiết kế thiết kế điều khiển tốc độ động cơ bldc

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

<b>Ngành KT điều khiển & tự động hóa </b>

<b>Giảng viên hướng dẫn: </b>PSG.TS. Nguyễn Quang Địch ____________________ Chữ ký c a GVHD ủ

<i><b>Hà N i, 5-</b></i>ộ<i><b>2022</b></i>

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

1

<b>LỜI NÓI ĐẦU </b>

Trong q trình h c t p mơn họ ậ ọc đồ án thi t k c a h c k 2021.2 t ngày ế ế ủ ọ ỳ ừ28/03/2022 đến 24/07/2022, tại phòng 207 tòa nhà C1B Đại học Bách Khoa Hà Nội, với nhi m vệ <b>ụ “Thiết kế đ ều ikhiển tốc độ động cơ BLDC” do th y giáo </b>ầNguyễn Quang Địch phân công, em đã tìm hiểu, nghiên cứu và hồn thành u cầu được giao.

Em xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch và TS. Giáp Văn Nam trong suốt quá trình em thực tập tốt nghiệp.

Em đã nhận được ch b o t n tình c a hai thỉ ả ậ ủ ầy để có th hồn thành mơn hể ọc đồ án thiết kế cũng như học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm, kỹ năng công việc quý báu. Em xin trân tr ng cọ ảm ơn!

Sinh viên thực hiện

<small>Ký và ghi rõ h tênọ</small>

Dương Nguyễn Đại Dương

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

1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổ han (BLDC) ... 7i t1.2 Cấu t o cạ ủa động cơ BLDC... 10

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC ... 16

1.4 Các hệ truyền động dùng cho động cơ BLDC ... 17

Truyền động khơng đảo chiều (truyền động một cực tính) ... 17

Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) ... 18

1.5 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc động cơ BLDC ... 18

CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH TỐN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC ... 21

2.1 Mơ hình tốn học ... 21

Phương trình sức điện động và momen ... 22

Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC ... 23

2.2 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC ... 24

Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall – phương pháp 6 bước 25Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm bi n ... 27ếĐiều khiển bằng phương pháp PWM... 28

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC ... 30

3.1 Đặt vấn đề ... 30

Động cơ BLDC 90ZWN24-120P... 30

Driver BLD – 120A ... 31

Vi điều khiển STM32F030F4P6 ... 34

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

3

IC chuyển đổi logic TXS0108 ... 36

3.2 Thiết kế mạch điều khiển động cơ BLDC ... 36

Module xử lý trung tâm... 36

Mạch chuyển đổi mức tín hiệu ... 38

Mạch giao tiếp UART ... 39

4.2 Lập trình điều khiển cho động cơ BLDC ... 45

Thuật toán điều khiển động cơ ... 45

Cấu hình cho vi điều khiển STM32F040F4P6 ... 45

Lập trình điều khiển ... 47

4.3 Kết quả sau khi ch y thạ ực tế ... 50

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯ NG PHÁT TRIỚ ỂN ĐỀTÀI ... 52PHỤ L C ... 53Ụ

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

Hình 1.10 Sơ đồ ấp điệ c n cho các cuộn dây stator ... 16

Hình 1.11 Minh h a nguyên lý làm vi c cọ ệ ủa động cơ BLDC truyền động một cực tính ... 17

Hình 1.12 Th tứ ự chuyển m ch và chi u quay t ạ ề ừ trường stator ... 17

Hình 1.13 Chuy n m ch hai cể ạ ực tính động cơ BLDC ... 18

Hình 1.14 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC ... 19

Hình 1.15 Đồ thị đặc tính làm vi c cệ ủa động cơ BLDC ... 20

Hình 2.1 Mơ hình mạch điện của động cơ BLDC ... 21

Hình 2.2 Mơ hình thu gọn động cơ BLDC ... 22

Hình 2.3 Sơ đồ ột pha tương đương củ m a động cơ BLDC ... 23

Hình 2.4 Tín hi u c m bi n Hall, s c phệ ả ế ứ ản điện động, dòng điện pha trong chế quay thu n chiđộ ậ ều kim đồng h ... 25 ồHình 2.5 H ệ điều khiển động cơ BLDC ... 26

Hình 2.6 Qu o t thơng stator khơng trịn vỹ đạ ừ ới 6 bậc trong 1 chu k ... 27 ỳHình 2.7 Dạng đồ thị xung điều ch PWM ... 28 ếHình 2.8 Nguyên lý điều khiển tải bằng xung PWM ... 28

Hình 2.9 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra ... 29

Hình 3.1 Động cơ BLDC 90ZWN24-120P ... 30

Hình 3.2 Driver BLD 120A ... 31 –

Hình 3.3 Bi n trế ở cài đặt dòng điện đầu ra tối đa ... 32

Hình 3.4 Bi n trế ở cài đặt thời gian tăng tốc và giảm tốc ... 32

Hình 3.5 Đồ thị tốc độ ủa động cơ ứ c ng với điện áp analog ... 34

Hình 3.6 Đồ thị tốc độ ủa động cơ ứ c ng v i h sớ ệ ố điều ch ... 34 ếHình 3.7 Sơ đồ chân của vi điều khiển STM32F030F4P6 ... 35

Hình 3.8 Sơ đồ chân của module chuyển đổi logic TXS0108 ... 36

Hình 3.9 C u trúc module x ấ ử lý trung tâm ... 37

Hình 3.10 Module chuyển đổi mức tín hi u ... 38 ệHình 3.11 IC 74AHC1G14SE-7 ... 38

Hình 3.12 M ch giao ti p UART ... 39 ạ ếHình 3.13 Sơ đồ chân và hình ảnh của IC 6N137 ... 39

Hình 3.14 Sơ đồ chân và hình ảnh IC MAX3485 ... 40 Hình 3.15 M ch ngu n cạ ồ ấp cho vi điều khi n và driver ... 41 ểHình 4.1 Biểu tượng của phần m m STM32CubeMX ... 42 ề

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

5

Hình 4.2 Giao di n chính cệ ủa phần m m STM32CubeMX ... 43 ềHình 4.3 Giao di n c a ph n m m KeilC V5 ... 44 ệ ủ ầ ềHình 4.4 Lưu đồ thuật tốn điều khiển động cơ BLDC ... 45 Hình 4.5 Cấu hình vi điều khi n STM32F040F4P6 ... 46 ểHình 4.6 Cấu hình GPIO cho vi điều khi n ... 46 ểHình 4.7 C u hình Timer 14 channel 1cấ ủa vi điều khi n ... 46 ểHình 4.8 C u hình Timer 3 channel 1 cấ ủa vi điều khi n ... 47 ểHình 4.9 C u hình truyấ ền thơng UART cho vi điều khi n... 47 ểHình 4.10 Nguyên lý hoạt động của chế độ Input capture ... 48 Hình 4.11 Giao di n cệ ủa Hercules terminal ... 49 Hình 4.12 Giao di n c a Serial Oscilloscope ... 50 ệ ủHình 4.13 Giao di n Oscilloscope ... 50 ệHình 4.14 Hình ảnh file Excel lưu trữ ốc độ động cơ t ... 51 Hình 4.15 Đáp ứng của tốc đ ộđộng cơ so với lượng đặt ... 51

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

6

<b>DANH M C B</b>Ụ <b>ẢNG BI U </b>Ể

Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một điều ... 8

Bảng 2.1 Th t ứ ự chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng h 26ồBảng 2.2 Th tứ ự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chi u kim ề đồng hồ ... 27

Bảng 3.1 Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P ... 30

Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật điện của driver BLD – 120A ... 32

Bảng 3.3 Chức năng các chân của driver BLD – 120A ... 33

Bảng 3.4 B ng phân công v trí, chả ị ức năng của các chân vào ra trên vi điều khiển ... 37

Bảng 3.5 B ng chả ức năng chân IC 6N137 ... 40

Bảng 3.6 B ng chả ức năng chân IC MAX3485 ... 40

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

7

<b>THAN (BLDC) </b>

<b>1.1 Giới thiệu v </b>ề động cơ mộ<b>t chi u không ch</b>ề <b>ổi than (BLDC) </b>

Động cơ một chiều (ĐCMC) thơng thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng thích h p v i các truyợ ớ ền động servo. Tuy nhiên, h n ch duy nh t là ạ ế ấtrong c u t o c a chúng c n có c góp và ch i than, nh ng th d b mòn và yêu ấ ạ ủ ầ ổ ổ ữ ứ ễ ịcầu b o trì, bả ảo dưỡng thường xuyên. Để kh c phắ ục nhược điểm này người ta chếtạo loại động cơ không cần bảo dưỡng b ng cách thay thằ ế chức năng của cổ góp và ch i than b i cách chuy n m ch s d ng thi t b bán d n (ch ng hổ ở ể ạ ử ụ ế ị ẫ ẳ ạn như biến tần s d ng transitor công su t chuy n m ch theo v trí rotor). Nhử ụ ấ ể ạ ị ững động cơ này được biết đến như là động cơ đồng b kích thích bộ ằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chi u không ch i than BLDC (Brushless DC Motor). Do không ề ổcó c góp và chổ ổi than nên động cơ này khắc phục được h u hầ ết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thơng thường.

H nh 1.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ lâu đã được s d ng r ng rãi trong các h truyử ụ ộ ệ ền động công su t nh ấ ỏ (vài W đến vài chục W) như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính các nhân, thiết bị văn phịng (máy in , scan...). Trong các ứng dụng đó mạch điều khiển được ch tế ạo đơn giản và có độ tin cậy cao.

Cùng v i s phát tri n c a công ngh ớ ự ể ủ ệ điệ ửn t , công ngh ệ chế t o v t li u làm ạ ậ ệnam châm vĩnh cửu cũng có những bước ti n lế ớn, đã làm cho những ưu điểm của các hệ thống truyền động điện s dử ụng động cơ BLDC so với động cơ một chiều có cổ gópchổi than hay động cơ dị ộ trở b lên rõ rệt hơn, đặc biệt là ở các hệ thống truyền động di ng s d ng nguđộ ử ụ ồn điện m t chiộ ều độc lập từ ắc qui, pin hay năng lƣợng mặt tr i.ờ Trong đó khơng thể khơng nhắc đến là các hệtruyền động xe kéo trên xe điện với công suất 3 từ vài chục đến 100kW. Trong cơng nghiệp, chúng cịn được sử dụng rộng rãi trong các h ệ điều khi n servo có cơng suể ất dưới 10kW. BLDC là m t lo i cộ ạ ủa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó s d ng các ử ụbộ c m bi n v trí và mả ế ị ột b chuyộ ển đổi (inverter) để điều khiển dòng điện phần ứng.

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

8

Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thơng thường hồn tồn gi ng nhau, th c t chúng có nh ng khác biố ự ế ữ ệt đáng kể ở ộ m t vài khía c nh. Khi so sánh hai ạ loại động cơ này về ặ m t công nghệ hiệ ại, ta thườn t ng đề cập t i sự khác ớ nhau hơn là sự ống nhau giữa chúng. Khi nói về chức năng gicủa động cơ điện, không được quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là q trình biến đổi dịng điện m t chi u ộ ề ở đầu vào thành dòng xoay chi u ềvà phân b m t cách chính xác dịng ố ộ điện này t i m i dây qu n ph n ớ ỗ ấ ở ầ ứng động cơ. Ở động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiều đƣợc thực hi n b i c góp và ệ ở ổchổi than. Ngược lại, ở động cơ một chiều không ổi than, đổch i chiều được thực hiện b ng cách s d ng các thi t b bán dằ ử ụ ế ị ẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT.

<b>Ưu điểm c</b>ủa động cơ BLDC:- Đặc tính tốc độ/mơ men tuyến tính. - Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.

- Hiệu su t cao do s dấ ử ụng rotor nam châm vĩnh cửu nên khơng có t n haổ o trên rotor.

- Tuổi thọ cao do khơng có chuy n mể ạch cơ khí- Khơng gây nhiễu khi hoạt động.

- Dải tốc đ r ng. ộ ộ- Mật độ công suất lớn.

- Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nh ) th m chí tỏ ậ ở ốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).

- Mơ men điều khiển được ở ị v trí b ng khơng. ằ- Kết cấu gọn.

- Có thể tăng giảm tốc đ ộtrong thời gian ng n. ắNhược điể<b>m c</b>ủa động cơ BLDC:

- Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi ch t o có giá ế ạthành cao.

- Nếu dùng các lo i nam châm s t t thì d b t hóa, kh ạ ắ ừ ễ ị ừ ả năng tích từ khơng cao, dễ b ị khử ừ và đặ t c tính từ c a nam châm b giủ ị ảm khi tăng nhiệt độ. Động cơ BLDC có những ưu điểm vượt trội so với các động cơ một chiều thông thường. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập t i s ớ ự khác nhau hơn là sự giống nhau gi a chúng. B ng 1.1 so sánh ữ ảhai loại động cơ này để thấy đượ ự ốc s gi ng và khác nhau giữa hai động cơ từ đó có thể khẳng định ch c chắ ắn hơn những ưu/nhượ điểm của động cơ BLDCc .

B ng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một điều Động cơ

mạch

Đảo chiều bằng điện tử dựa trên thông

Đảo chiều động cơ điện

cơ khí bằng

Động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch đi n t thay cho chuy n ệ ử ể

mạch cơ khí

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

9 tin c m biả ến v ị

trí rotor ^{chổi than, cổ}góp

Hiệu su t ấ Cao Trung bình điệ^{Điện áp rơi trên các linh kiện}n tử nh hơn điện áp rơi trên ỏchổi than

Bảo trì khơng c n b o ^{Rất ít (có thể}ầ ảtrì)

Định kỳ ^{Động cơ BLDC sử dụng chuyển}mạch điện t nên khơng c n b o ử ầ ảtrì định kỳ

ứng được bố trí ở Stator cho phép động cơ tản nhiệt tốt hơn. Đố ới v i động cơ 1 chiều, t n bảo ố

nhiệt suất hi n ệ ở c dây qu n ả ấStator và rotor. Và vi c t n nhiệ ả ệt

của dây quấn rotor là khó khăn hơn

Tỷ s ốcơng suất ra so với

kích c ỡ

Cao ^{Trung bình,}_thấp

BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu b ng vằ ật liệu tiên ti n, ếkhơng có t n hao trên rotor ổĐặc tích

tốc độ / momen

Bằng phảng _{bằng ph ng}^{Tương đối}_ẳ _{ma sát}^{Động cơ BLDC không sinh ra}_{ở rotor làm giả}_{m momen}Đáp ứng

Momen quán tính của rotor động cơ BLDC thường nhỏ hơn so với

động cơ 1 chiều Dải điều

chỉnh tốc độ

BLDC không b giị ới hạ ốn t c độvề mặt cơ khí do cơ cấu chổi

than, cổ góp Nhiễu

BLDC khơng sinh ra tia lửa điện khi vận dành do khơng có cơ cấu chổi than, cổ góp vì v y ít gây ậ

các ban

Giá thành Cao Thấp nam châm vĩnh cửu nên khi chế ^{Do động cơ được kích từ bằng}tạo giá thành cao

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

10

Từ b ng 1.1 Ta nh n ả ậ thấy rằng ưu điểm mà động cơ BLDC mang lại là đảm bảo sự an toàn, đáp ứng được nhu cầu mà động cơ 1 chiều không thể có.

<b>1.2 Cấu tạo c</b>ủa động cơ BLDC

Động cơ BLDC (Brushless DC) hay cịn có tên khác động cơ khơng chổi than là m t loộ ại động cơ đồng b ộ nam châm vĩnh c u. Th c chử ự ất động cơ BLDC không phải là động cơ một chiều mà động cơ xoay chiều đồng b ộ do động cơ thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm. Hình 1.2. minh họa cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình.

Khác với động cơ một chi u truy n thề ề ống, động cơ BLDC sử ụ d ng chuyển mạch điện t thay cho k t c u c góp-ử ế ấ ổ chổi than để chuy n mể ạch dòng điện c p cho ấcác cu n dây ph n ng. Có th gộ ầ ứ ể ọi đó là cơ cấu chuy n mể ạch tĩnh. Để làm được điều đó phầ ứng cũng phải tĩnh. Như vận y, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hốn đổi vị trí giữa phần cảm và ph n ng, ph n c m trên rotor và ph n ng trên stator. ầ ứ ầ ả ầ ứ

H nh 1.2 Cấu t o cạ ủa động cơ BLDC

Cũng chính vì cấu tạo khơng có cơ cấu c góp - ổ chổi than nên động cơ BLDC mới có nhiều ưu điểm hơn so với các động co m t chiộ ều thông thường như ta đã kể ra ở ph n trên. ầ

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

11

H nh 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ

Từ hình 1.3 ta th y rấ ằng động cơ một chi u khơng ch i than chính là s kề ổ ự ết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điệ ửn t chuyển m ch theo v trí rotor. Dây quạ ị ấn stator tương tự như 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 phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay v trí c a c c t ) nh m t o ra các tín hi u ị ủ ự ừ ằ ạ ệ điều khi n b chuy n m ch ể ộ ể ạđiện tử.

Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thơng qua cảm biến vị trí, hầu hết các c m bi n v trí rotor (c c t ) là ph n tả ế ị ự ừ ầ ử Hall, tuy nhiên cũng có mộ ố đột s ng 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 được sử dụng khá ph biổ ến vì cấ ạu t o và m ch truyền động đơn giản ạ

<b> Stator </b>động cơ BLDC

Khác với động cơ một chiều thông thường, Stator của động cơ BLDC chứa dây qu n ph n ng. Stator cấ ầ ứ ủa động cơ BLDC được c u t o t các lá thép k thuấ ạ ừ ỹ ật điện v i các cuớ ộn dây được đặt trong các khe c t xung quanh chu vi phía trong cắ ủa stator. Theo truyền th ng c u t o stator cố ấ ạ ủa động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được phân b theo cách ốkhác.

H nh 1.4 Stator động cơ BLDC

Hầu hết t t cấ ả các động cơ một chiều khơng chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao (Y) ho c hình tam giác ( ). M i m t cuặ ∆ ỗ ộ ộn dây được c u t o ấ ạbởi m t sộ ố lượng các b i dây nố ối li n về ới nhau. Các bối dây này được đặt trong

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

12

các khe và chúng được nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các c c. Cách bự ố trí và s rãnh cố ủa stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau.

Sự khác nhau trong cách n i li n các b i dây trong cu n dây stator t o nên ố ề ố ộ ạsự khác nhau c a hình dáng s c phủ ứ ản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Dịng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang. Điều này làm cho mơ men của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng giá thành lại đắt hơn do phải có thêm các bối dây n i liên tố ục, cịn động cơ hình thang lạ ẻ hơn nhưng đặi r c tính mơ men l i có ạsự nh p nhơ vì s ấ ự thay đổi điện áp của s c phứ ản điện động là lớn hơn.

a) S ức điện động hình thang b) S ức điện động hình sin H nh 1.5 Các dạng sức điện động của động cơ BLDC

BLDC thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha tương ứng với các loại đó thì Stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ. Các động cơ trên 100V được dùng trong các thi t bế ị công nghi p, t ệ ự động hóa và các ứng d ng cơng ụnghiệp

<b> Rotor động cơ BLDC </b>

Rotor của động cơ BLDCược gắn vào trục động cơ và trên bề m t có dán các ặthanh nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, người ta thường chế t o trạ ục động cơ có dạng hình tr r ng. ụ ỗ

Rotor lõi tròn v i nam ớchâm đặt trên chu vi

Rotor lõi tròn v i nam ớchâm hình ch nhữ ật được

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

13

Rotor được cấ ạu t o từ các nam châm vĩnh cửu.Số lượng đôi cực dao đ ng t ộ ừ2 đến 8 v i các c c Nam (S) và B c (N) x p xen k nhau. V ớ ự ắ ế ẽ ề cơ bản thì Rotor của động cơ BLDC khơng có gì khác so với các loại động cơ nam châm vĩnh cửu khác.

H nh 1.7 Rotor của động cơ BLDC

Dựa vào yêu c u v mầ ề ật độ ừ trường trong rotor, ch t li u làm nam châm t ấ ệthích hợp được chọn tương ứng. Nam châm Ferrite thường được s d ng, tuy giá ử ụthành r ẻ nhưng mật độ t ừ trường th p. Khi công ngh phát tri n, nam châm làm t ấ ệ ể ừhợp kim ngày càng ph biổ ến. Trong khi đó các loại nam châm được s n xu t t ả ấ ừcác hợp kim đất hi m. V t li u hế ậ ệ ợp kim đất hi m có mế ật độ ừ trường trên đơn vị tthể tích cao và cho phép thu nh ỏ kích thướ ủa rotor nhưng vẫn đạt được mơ men c ctương ứng. Do đó, với cùng thể tích, mơ men của rotor có nam châm làm từ vật liệu h p kim luôn lợ ớn hơn nam châm làm từ Ferrite. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ cơng suất lớn. Nam châm được sản xuất từ vật liệu hợp kim hiếm có giá thành cao và thường chỉ đượ ử ục s d ng trong các ng d ng công ngh ứ ụ ệ cao.

<b> Cảm biến xác định vị trí Rotor</b>

Khơng giống như những động cơ một chiều thông thường dùng cơ cấu c ổgóp - chổi than, chuy n m ch cể ạ ủa động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than được điều khiển bằng điện tử. T c là các cu n dây c a stator s ứ ộ ủ ẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất. Để động cơ làm việc, cuộn dây c a stator s ủ ẽ được cấp điện theo th t . T c là t i m t thứ ự ứ ạ ộ ời điểm thì khơng ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào c mà phả ụ thuộc vào vị trí của Rotor động cơ ở đâu để ấp điện cho đúng. Như chúng ta đã biết, đổ c i chiều dòng điện căn cứvào v trí c a t ị ủ ừ thơng rotor. Do đó vấn đề xác định được v trí t thơng rotor là rị ừ ất quan trọng để ta biết được cuộn dây trên stator ti p theo nào s ế ẽ được cấp điện theo thứ t cự ấp điện. Để xác nh v trí t thơng rotor, ta dùng các thi t b c m bi n sau: đị ị ừ ế ị ả ế

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Mỗi khi các c c nam châm cự ủa rotor đi qua khu vực g n các c m bi n Hall, ầ ả ếcác c m bi n s g i ra tín hi u cao ho c thả ế ẽ ử ệ ặ ấp ứng v i khi c c B c ho c c c Nam ớ ự ắ ặ ựđi qua cảm bi n. D a vào t hế ự ổ ợp c a các tín hi u t 3 c m bi n Hall, th t ủ ệ ừ ả ế ứ ự chuyển mạch chính xác được xác định .Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hi u ệ ứng Hall. Đó là khi có một dịng điện ch y trong m t v t dạ ộ ậ ẫn được đặt trong m t tộ ừ trường, từ trường s t o ra m t l c nẽ ạ ộ ự ằm ngang lên các điện tích di chuyển trong v t dậ ẫn theo hướng đẩy chúng v m t phía c a v t d n. S ề ộ ủ ậ ẫ ố lượng các điện tích b y về một phía sẽ cân bằng v i mị đẩ ớ ức độ ảnh hưởng của từ trư ng. ờĐiều này dẫn đến xuất hiện m t hiộ ệu điện thế giữa 2 m t c a v t d n. S xu t hi n ặ ủ ậ ẫ ự ấ ệcủa hiệu điện th có kh ế ả năng đo được này được g i là hi u ọ ệ ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879.

H nh 1.8 Cấu trúc của động cơ BLDC

Hình 1.8 là m t c t ngang cặ ắ ủa động cơ một chi u không ch i than v i Rotor ề ổ ớcó các nam châm vĩnh cửu. Việc đặt cảm biến Hall trong Stator là quá trình phức tạp vì b t c s mấ ứ ự ất cân đố ẽ ẫn đếi s d n vi c t o ra m t sai s trong việ ạ ộ ố ệc xác định vị trí của Rotor. Để đơn giản quá trình g n c m bi n lên Stator, mắ ả ế ột vài động cơ có các nam châm phụ củ ảm biến Hall ga c ắn trên Rotor. Đây là phiên bản thu nh ỏcủa nam châm trên Rotor. Do đó, mỗi khi Rotor quay, các nam châm cảm biến Rotor đem lại hi u ệ ứng tương tự như của nam châm chính. Các c m bi n Hal thơng ả ếthường được g n trên m ch in và c ắ ạ ố định trên nắp đậy động cơ. Điều này cho phép người dùng có th ể điều ch nh hoàn toàn vi c l p ráp các c m biỉ ệ ắ ả ến Hall để cân ch nh ỉvới nam châm Rotor, đem lại khả năng hoạt động tối đa.

Dựa trên v trí v t lý c a c m biị ậ ủ ả ến Hall, có 2 cách đặ ảt c m bi n .Các cế ảm biến Hall có thể được đặ ịch pha nhau các góc 60t d <small>0</small> hoặc 120 tùy thu c vào s <small>0</small> ộ ốđôi cực. Dựa vào điều này, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển m ch mà c n ạ ầ phải thực hiện trong quá trình điều khiển động cơ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

15

<b>• Bộ c m bi</b>ả <b>ến từ trở MR </b>

Từ thông sẽ làm thay đổi điện tr m ch, vở ạ ới phương pháp này ta có thể phát hiện chính xác vị trí của từ thông. Khi nam châm đến g n thành ph n c m bi n t ầ ầ ả ế ừtrở, điện trở của thành phần này sẽ bị thay đổi. Sự thay đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ giảm dần tới khi nam châm hoàn toàn vượt qua thành phần này. Điện trở thay đổi được tính theo cơng thức:

Trong đó: R là điện trở thay đổi. m là mật độ hạt mang điện. v là v n t c hậ ố ạt mang điện

<b>• Dùng đèn LED transitor quang và màn chắn </b>

H nh 1.9 Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khi n bể ằng transitor quang Trên hình 1.9 là h ệ thống xác định vị trí từ thơng rotor dùng transistor quang hay màn ch n. Nguyên lý hoắ ạt động: M t transistor PT1 ộ ở trạng thái d n thì hai ẫtransistor cịn lại là PT2 và PT3 tr ng thái t t ở ạ ắ

<b> Bộ chuyển mạch điện t </b>ử

Ở động cơ BLDC vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều d ễ dàng được thay th b i b i chiế ở ộ đổ ều điệ ử ử ụn t s d ng transitor công suất chuy n m ch theo v trí roto. ể ạ ị

Do trong c u trúc cấ ủa động cơ một chiều không ch i than c n có c m bi n v ổ ầ ả ế ịtrí rotor. Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây qu n ph n ng khi rotor quay giấ ầ ứ ống như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường.

<b> Sức phản điện động </b>

Khi động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than quay, mỗi cuộn dây t o ra mạ ột điện áp g i là sọ ức phản điện động ch ng lố ại điện áp ngu n c p cho ồ ấ

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

16

cuộn dây đó theo luật Lenz. Chiều của sức phản điện động này ngược chiều với điện áp c p. S c phấ ứ ản điện động phụ thu c ch y u vào ba y u t : V n t c góc cộ ủ ế ế ố ậ ố ủa rotor, từ trường sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu và s vòng trong m i cu ng dây ố ỗ ộtrên stator.

Trong đó: N là số vòng dây trên 1 pha l là chiều dài rotor r là bán kính trong của rotor B là mật độ ừ trườ t ng rotor ω là vận tốc góc của động cơ

Trong động cơ BLDC từ trường rotor và số vòng dây stator là hằng số ln khơng đổi. Chỉ có duy nhất vận tốc của rotor là làm thay đổi sức phản điện động. Khi v n t c cậ ố ủa rotor tăng thì sức phản điện động cũng tăng theo. Trong các tài liệu k ỹthuật của động cơ có đưa ra hằng số sức phản điện động có thể sử dụng đểước lư ng sức phản điện động tương ứng v i mộ ốợ ớ t t c độ nhất định.

<b>1.3 Nguyên lý hoạt động c</b>ủa động cơ BLDCSơ đồ<b> nguyên lý làm việc c</b>ủa động cơ BLDC:

H nh 1.10 Sơ đồ ấp điệ c n cho các cuộn dây stator

Động cơ BLDC hiện di n trong khá nhi u h ệ ề ệ khác nhau nhưng động cơ 3 pha là loại thông d ng nh t tụ ấ ối ưu hiệu su t và gi m gấ ả ợn sóng momen quay (trơn). Loại động cơ này cũng đưa ra sự đồng thuận gi a viữ ệc điều khi n chính xác v i s ể ớ ố thiết bị cần để điều khi n dòng stator. ể

BLDC ba pha được điều khiển trong 2 pha, nghĩa là hai pha mà tạo ra momen lớn nh t sấ ẽ được kích ho t trong khi pha th ba bạ ứ ị ngắt. Để làm được việc đó thì cần biết được v trí chính xác cị ủa rotor để điều khiển q trình đóng cắt các khố

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

17

bán d n, c p ngu n cho các cu n dây stator theo trình t hẫ ấ ồ ộ ự ợp lý . Momen được sinh ra do tương tác giữ ừ trườa t ng t o ra b i nh ng cu n dây c a stator v i nam ạ ở ữ ộ ủ ớchâm vĩnh cửu. Một cách lý tưởng, momen lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau góc 90 và gi m xu ng khi chúng di chuy<small>0</small> ả ố ển. Để ữ động cơ quay, từ trường gi tạo ra bởi nh ng cu n dây ữ ộ stator phải quay “đồng bộ” với từ trường của rotor một góc . 𝛼

<b>1.4 Các hệ truy</b>ền động dùng cho động cơ BLDC

<b> Truyền động khơng đảo chiều (truy</b>ền độ<b>ng một cực tính) </b>

Stator động cơ có ba cực từ ba buộn dây đặt lệch nhau 120<small>0</small>, nó được cấp bởi nguồn m t chi u ộ ề qua ba tranzisto tương ứng v i vai trò là b chuy n mớ ộ ể ạch điện tử. Bộ chuyển mạch điện t ử này được điều khi n t bể ừ ộ cảm biến vị trí.

H nh 1.11 Minh họa nguyên lý làm việc của động cơ BLDC truyền động một c c tính ựNguyên lí làm việc của động cơ BLDC sử dụng cảm biến quang để xác định vị trí của Rotor. Động cơ được điều khi n theo tín hi u chuy n m ch khi nhể ệ ể ạ ận được tín hiệu từ cảm biến. Sau đây là thứ ự chuyển mạch c t ủa động cơ BLDC sửdụng c m bi n quang. ả ế

H nh 1.12 Thứ ự t chuyển m ch và chi u quay t ạ ề ừ trường stator

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

18

Cực b c cắ ủa Rotor đang ở ị trí đối diện với cực lồi Stator, phototransitor vPT1 được chiếu sáng do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (baze) của transitor Tr1 làm cho Tr1 m . ở Ở trạng thái này, cực nam đượ ạc t o thành c c l i P1 b i dòng ở ự ồ ởđiện I1 chạy qua cuộn dây W1 đã hút cực bắc c a Rotor làm cho Rotor chuyển ủđộng theo hướng mũi tên. Khi cực Bắc của Rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực l i P1 c a Stator, lúc này màn ch n g n trên trồ ủ ắ ắ ục động cơ sẽ che PT1, và PT2 được chiếu sáng, Tr2 m , dòng I2 chở ảy qua Q2. Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2 và t o ra c c nam trên c c l i P2 thì c c b c c a Rotor s quay theo chiạ ự ự ồ ự ắ ủ ẽ ều mũi tên đến vị trí đối diện của cực lồi P2. Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2, và phototransitor PT3 được chiếu sáng. Lúc này chiều của dịng điện có chiều từ W2 sang W3. Vì v y, c c l i P2 b kh ậ ự ồ ị ử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lại được kích ho t và t o thành cạ ạ ực Nam. Do đó cực Bắc của Rotor duy chuy n t P2 sang ể ừP3 mà không d ng l i. B ng cách l p l i các chuy n mừ ạ ằ ặ ạ ể ạch như vậy theo th t ứ ự như hình 1.12, Rotor nam châm vĩnh cữu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục.

<b> Truyền động có đảo chi u (truy</b>ề ền độ<b>ng hai cực tính)</b>

Ở động cơ một chiều khơng chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trên stator là phần đứng yên nên có th d dàng thay th b chuy n mể ễ ế ộ ể ạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor cơng su t ấ được điều khi n theo vể ị trí tương ứng c a rotor. ủ

H nh 1.13 Chuyển mạch hai cực tính động cơ BLDC

Về b n ch t chuy n m ch hai c c tính là b nghả ấ ể ạ ự ộ ịch lưu độ ậc l p v i 6 van ớchuyển mạch được b trí trên ố hình 1.13 . Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đố ới động cơ công suấi v t nhỏ thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET cịn với các động cơ cơng suấ ớt l n thì van chuy n mể ạch thường dùng van IGBT. Để thực hiện dẫn dịng trong những khoảng mà van khơng dẫn thì các diode được m c song song vắ ới các van. Để điều khi n các van bán d n c a chuy n ể ẫ ủ ểmạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí roto để đảm bảo sự thay đổi chiều dịng điện trong dây qu n ph n ấ ầ ứng khi roto quay giống như vành góp ch i than cổ ủa động cơ một chiều thông thường.

<b>1.5 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc đ</b>ộng cơ BLDC

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

19

Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện m t chiộ ều truyền th ng. T c là m i quan h gi a mô men và tố ứ ố ệ ữ ốc độ là các đường tuy n tính ếnên rất thuận tiện trong q trình điều khiển động cơ để truyền động cho nhiều cơ cấu khác. Động cơ BLDC không dùng cơ cấu cổ góp-chổi than nên ta có thể tăng tốc độ do khơng có s ự đánh lửa gây mài mịn. Vì v y m rậ ở ộng vùng điều chỉnh của động cơ BLDC là việc khơng hề khó khăn.

Các đại lượng cơ bản động cơ BLDC- Sức điện động pha: E (V) - Hệ s số ức điện động 𝐾<small>𝑒</small>=^𝐸

<small>𝜔</small>- Momen M (N.m) - Hệ s momen ố 𝐾<small>𝑚</small>=^𝑀

<small>𝐼𝑑</small> (^𝑁.𝑚<small>𝐴</small> ) - Số đôi cực 𝑃<small>𝑝</small>

- Tốc độ động cơ 𝜔<small>𝑚</small>=^𝑤<small>𝑃</small>_𝑝- Dòng điện một chiề 𝐼u <small>𝑑</small>(𝐴) - Điện áp một chiề 𝑈u <small>𝑑</small>(𝑉)

Ta có công suất tiêu th ụ động cơ BLDC là:

⟶ 𝑀 =2𝐸𝐼_𝑑𝜔<small>𝑚</small>

PT 1.4 Phương trình cân bằng điện áp:

Từ PT 1.3 và PT 1.5 ta có phương trình đặc tính cơ truyền động động cơ BLDC:

𝜔 =^𝑈^𝑑𝐾<small>𝑒</small>

− 2𝑅<small>𝑠</small>𝑀𝐾<small>𝑒</small>𝐾<small>𝑚</small>Đồ ị th đặc tính cơ của động cơ BLDC được vẽ như sau:

H nh 1.14 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

20

H nh 1.15 Đồ thị đặc tính làm việc của động cơ BLDC

<b>• Sức phản điện động của động cơ BLDC: </b>

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 lu t Lenz. Chi u c a sậ ề ủ ức điện động này ngược chi u về ới điện áp c p. Sấ ức phản điện động phụ thuộc ch yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc góc của Rotor, từ trường ủsinh ra bởi nam châm vĩnh cửu c a Rotor và s vòng trong m i cu n dây củ ố ỗ ộ ủa Stator:

Trong đó: EMF là sức điện động cảm ứng N là số vòng dây trên mỗi phal là chiều dài rotor

r là bán kính trong của rotor B là một độ ừ trườ t ng rotor 𝜔 là vậ ốn t c góc của động cơ

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Để thực hiện xây dựng mơ hình tốn thì cần phải đưa động cơ BLDC về các thành phần điệ ử cơ bản t n. Hình 2.1 trình bày mơ hình mạch điện trong động cơ bao g m 3 cu n ồ ộ dây stato được ước lượng bởi điện trở 𝑅<small>𝑎</small>và điện cảm 𝐿<small>𝑎</small>, do 3 cuộn dây của stator được đặ ạt c nh nhau nên x y ra hiả ện tượng h c m gi a các ỗ ả ữcuộn dây v i nhau, s h c m gi a các cuớ ự ỗ ả ữ ộn dây được th hi n qua h c m M. Mể ệ ộ ả ặt khác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửu nên khi rotor quay s quét qua ẽcuộn dây stator nên có sự tương tác giữa hai từ trường. Vì vậy các đại lượng , 𝑒<small>𝑎</small>

𝑒<small>𝑏</small>, 𝑒<small>𝑐</small>, th hi n s ể ệ ự tương tác giữa hai t ừ trường, biên độ của các s c phứ ản điện động này là b ng nhau và b ng E. Do các nam ằ ằ châm đều được làm t v t li u có suừ ậ ệ ất điện tr cao nên có thể bỏ qua dịng cảm ứng rotor. ở

H nh 2.1 Mơ hình mạch điện của động cơ BLDC

Ba cuộn dây trên stator có điện trở lần lượt là , 𝑅<small>𝑎</small> 𝑅 𝑅<small>𝑏</small>, <small>𝑐</small>, 𝐿 𝐿<small>𝑎</small>, <small>𝑏</small>, l𝐿<small>𝑐</small>ần lượt là điện cảm của các cuộn dây, 𝐿<small>𝑎𝑏</small>, 𝐿<small>𝑏𝑐</small>, 𝐿<small>𝑐𝑎</small>là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng.

Từ phương trình điện áp một pha: 𝑉<small>𝑎</small>= 𝑅<small>𝑎</small>𝑖<small>𝑎</small>+ 𝐿<small>𝑎</small>

𝑑𝑖𝑑𝑡+ 𝑒_𝑎𝑉<small>𝑏</small>= 𝑅_𝑏𝑖<small>𝑏</small>+ 𝐿_𝑏^𝑑𝑖

𝑑𝑡+ 𝑒_𝑏𝑉<small>𝑎</small>= 𝑅<small>𝑐</small>𝑖<small>𝑐</small>+ 𝐿<small>𝑐</small>

𝑑𝑖𝑑𝑡+ 𝑒<small>𝑐</small>

PT 2.1

Đặt s là toán tử laplace khi đó ^𝑑𝑖_𝑑𝑡= 𝑖. 𝑠

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

22

Phương trình điện áp ba pha của động cơ BLDC ở dạng ma trận: [

] + 𝑠. [

𝐿<small>𝑎</small> 𝐿<small>𝑏𝑎</small> 𝐿<small>𝑎𝑐</small>𝐿<small>𝑎𝑏</small> 𝐿<small>𝑏</small> 𝐿<small>𝑏𝑐</small>𝐿_𝑎𝑐 𝐿_𝑏𝑐 𝐿_𝑐

] . [𝑖<small>𝑎</small>

] + [𝑒<small>𝑎</small>

] ^{PT 2.2}Nhưng do các pha đối xứng nhau nên các giá trị điện trở, điện cảm, hỗ cảm của ba cuộn dây b ng nhau ằ 𝑅<small>𝑎</small>=𝑅<small>𝑏</small> = 𝑅<small>𝑐</small>= R; 𝐿<small>𝑎</small>= 𝐿<small>𝑏</small>= 𝐿<small>𝑐</small>=L; 𝐿<small>𝑎𝑏</small>= 𝐿<small>𝑏𝑐</small>= 𝐿<small>𝑐𝑎 </small>= 𝑀.

Do đó [

] = [^𝑅0 𝑅 0⁰ ⁰

] . [𝑖<small>𝑎</small>

] + [𝑒<small>𝑎</small>

𝑒_𝑐] ^{PT 2.3}Do 3 cuộn dây ta xét đấu nối theo kiểu sao, nên ta có:

Từ PT 2.3 và PT 2.5 ta có: [

] = [^𝑅

0 𝑅 00 0 𝑅

] . [𝑖<small>𝑎</small>𝑖_𝑏𝑖<small>𝑐</small>

] + 𝑠. [^{𝐿 − 𝑀}₀ _{𝐿 − 𝑀}⁰ ⁰₀

] . [𝑖<small>𝑎</small>

] + [𝑒<small>𝑎</small>

𝑒_𝑐] ^{PT 2.6}Đặt 𝐿<small>𝑠</small> = 𝐿 – 𝑀 ta đư c: ợ

] = [𝑉<small>𝑎</small>

] − [^𝑅0 𝑅 0⁰ ⁰

] . [𝑖<small>𝑎</small>𝑖_𝑏𝑖<small>𝑐</small>

] − [𝑒<small>𝑎</small>

Phương trình 2.7 là mơ hình thu gọn của động cơ BLDC:

H nh 2.2 Mơ hình thu gọn động cơ BLDC

<b> Phương trình sức điện động và momen </b>

Momen quán tính: J<small>m</small>

Momen ma sát: M<small>f</small>

Ma sát thường t l v i tỷ ệ ớ ốc độ và được bi u hi n thông qua h s nh t D theo ể ệ ệ ố ớbiểu thức: 𝑀<small>𝑓</small>= 𝐷. 𝜔_𝑚

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

23 Momen tải của động cơ: M<small>c</small>

Momen qn tính của tải: J<small>c</small>

Như vậy phương trình động họ ổc t ng quát của động cơ có dạng như sau:𝑀 = (𝐽<small>𝑚</small>+ 𝐽_𝑐.^𝑑𝜔

Đặt 𝐽 = 𝐽<small>𝑚</small>+ 𝐽_𝑐, biến đổi phương trình 2.8 ta được:𝑑𝜔

𝑑𝑡 =^{𝑀 − 𝐷. 𝜔 − 𝑀}<small>𝑐</small>𝐽

PT 2.9

<b> Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC </b>

Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ. Cơng suất cơ của động cơ là tích số ữ gi a momen và tốc độ. Tuy v y, cùng mậ ở ột giá tr công su t, m i loị ấ ỗ ại động cơ khác nhau thì mối quan h giệ ữa hai đại lượng này là khác nhau.

Xét sơ đồ ột pha tương đương của động cơ trong hình 2.3 gồ m m nguồn cấp một chiều có độ ớn V, s c ph l ứ ản điện động là E, điện trở cuộn dây là R và dòng điện m i pha chế xác lập là I. Do tại một thời điểm trong động cơ luôn có 2 ỗ ở độpha cùng dẫn nên phương trình cân bằng điện áp của động cơ ở thời điểm xác lập như sau:

H nh 2.3 Sơ đồ ột pha tương đương của động cơ BLDC mTa có biểu thức tính cơng suất điện:

𝑃<small>𝑑</small>= 𝑒<small>𝑎</small>. 𝑖<small>𝑎</small>+ 𝑒<small>𝑏</small>. 𝑖<small>𝑏</small>+ 𝑒<small>𝑐</small>. 𝑖<small>𝑐</small>= 2. 𝐸. 𝐼 ^{PT 2.11}Biểu thức về công suất cơ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

→ 𝐼 =^𝑀𝐾_𝑒

PT 2.14 Nếu thay bi u th c sể ứ ức điện động vào phương trình 2.11, ta sẽ có bi u thể ức của tốc độ động cơ như sau:

𝜔 =^{𝑉 − 2𝐼𝑅}𝐾<small>𝑒</small>

PT 2.15 Từ hai phương trình 2.14 và 2.15, ta sẽ có phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC:

𝜔 = ^𝑉𝐾<small>𝑒</small>

PT 2.17 Giao điểm của đường đặc tính cơ với trục momen là giá trị momen lớn nhất hay momen ng n mắ ạch (tương ứng với dịng điện ng n mắ ạch).

𝑀_𝑛𝑚=^{𝑉. 𝐾}<small>𝑒</small>

Có th ể thấy, d ng cạ ủa phương trình đặc tính cơ của động cơ một chi u thơng ềthường với động cơ BLDC là giống nhau.

<b>2.2 Phương pháp điều khiển đ</b>ộng cơ BLDC

Như ta đã biết, q trình điều khiển động cơ BLDC chính là q trình điều khiển sao cho dịng điện chạy qua các cuộn dây đặt trên stator một cách hợp lí.

Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính : phương pháp dùng cảm bi n v trí Hall sensor (hoế ị ặc encoder) và phương pháp điều khi n khơng cể ảm biến (sensorless control). Trong đó ta có hai phương pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều khiển đó là điện áp d ng sóng hình thang và d ng sóng hình sin. C hai ạ ạ ảphương pháp sóng hình thang và sóng hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có c m biả ến Hall, trong khi phương pháp điều khi n không c m bi n ch dùng ể ả ế ỉphương pháp điện áp dạng sóng hình thang.

Sau đây ta sẽ ập trung đi vào điề t u khiển động cơ BLDC bằng phương pháp dùng cảm biến v trí Hall sensor kị ết hợp với băm xung PWM để đóng mở các van bán d n cẫ ấp điện cho các pha của động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor gửi về.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Như chúng ta đã biết, động cơ BLDC hoạt động dựa trên quá trình chuyển mạch dịng điện. Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall đặt trên stator. Khi các cực của nam châm trên rotor chuyển động đến v trí c m biị ả ến Hall thì đầu ra c a củ ảm biến có m c logic cao ho c th p, tùy thu c vào c c N hay S. D a vào t hứ ặ ấ ộ ự ự ổ ợp các tín hi u logic c a ba c m biệ ủ ả ến để xác định trình t và thự ời điểm chuy n m ch dòng ể ạđiện giữa các cuộn dây pha trên stator.

Trong quá trình hoạt động, t i thạ ời điểm ch có hai cuỉ ộn dây pha được cấp điện, cu n dây th ộ ứ ba không được cấp điện và vi c chuy n mệ ể ạch dòng điện t ừ cuộn dây này sang cu n dây khác s t o ra t ộ ẽ ạ ừ trường quay và làm cho rotor quay theo.

Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chi u quay c a rotor. Thề ủ ời điểm chuy n mể ạch dòng điệ ừn t pha này sang pha khác được xác định sao cho mô men đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mơ men do q trình chuy n mể ạch dòng điện là nh ỏ nhất.

Để đạt được yêu c u trên, ta mong mu n cầ ố ấp điện cho cu n dây vào thộ ời điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng được điều chỉnh để đạt biên độ khơng đổi trong khoảng có độ r ng 120 ộ <small>0</small>điện. N u không ếtrùng pha v i sớ ức điện động thì dịng điện cũng sẽ có giá tr l n và gây thêm t n ị ớ ổhao trên stator làm giảm hiệu su t cấ ủa động cơ.

Do có m i liên h gi a số ệ ữ ức điện động cảm ứng pha và vị trí ủ c a rotor nên việc xác định thời điểm cấp điện cho các cuộn dây pha trên stator cịn có thể thực hiện được bằng việc xác định vị trí của rotor nhờ các cảm biến vị trí

H nh 2.4 Tín hiệu c m biến Hall, s c phứ n điện động, dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng h ồ

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

26

Thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà m t trong ba tín hi u cộ ệ ảm biến Hall thay đổi mức logic. Trong một chu kì điện có sáu sự chuyển mức logic của ba c m biả ến Hall. Do đó trình tự chuyển m ch này g i là trình t ạ ọ ự chuyển m ch ạsáu bước của động cơ BLDC.

Cứ mỗi khi quay được 60º điện, các c m bi n Hall lả ế ại thay đổi tr ng thái. ạNhư vậy, nó cần 6 bước để hồn thành một chu kỳ điện. Khác với những động cơ thông người như động cơ một chiều và động cơ đồng bộ, động cơ BLDC có sức phản điện động dạng hình thang cịn dịng điện chảy trong các pha có dạng hình chữ nhật. Đặc tính s c phứ ản điện động c a ba cu n dây l ch nhau m t góc 2 /3 do ủ ộ ệ ộ 𝜋các cuộn dây stator được đặt l ch nhau góc 2 /3 và góc chuy n m ch c a s c phệ 𝜋 ể ạ ủ ứ ản điện động là 𝜋/3. Căn cứ vào dạng dòng điện của ba pha của động cơ theo vị trí của c m biả ến Hall để xác định được sơ đồ ở m van cho b nghộ ịch lưu. Do trong một chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổ ị i v trí nên sẽ có 6 tr ng thái mạ ở van.

Hình 2.5 là sơ đồ khối của h ệ điều khiển động cơ một chi u không ch i than. ề ổHệ thống điều khiển có sử dụng vi điều khiển làm bộ điều khi n chính, phát xung ểPWM cho bộ đệm PWM - IGBT driver. Để phát xung PWM cho bộ đệm thì vi điều khiển phải thực hi n cơng vi c l y tín hi u t c m bi n Hall v ệ ệ ấ ệ ừ ả ế ề và căn cứ vào bảng cảm biến Hall để phát xung mở van đúng theo thứ tự cấp điện.

H nh 2.5 Hệ điều khiển động cơ BLDC

Bảng 2.1 và 2.2 là th tứ ự chuyển m ch c a các van dạ ủ ựa trên các đầu vào t ừcác c m bi n Hall A, B, C ng v i chi u quay cả ế ứ ớ ề ủa động cơ. Trong đó các cảm biến Hall đặ ệt l ch nhau 120<small>0</small>.

B ng 2.1 Thứ ự t chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ

<b>TT Hall sensor A Hall sensor B Hall sensor C Phase A Phase B Phase C </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

27

B ng 2.2 Thứ ự t chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

<b>TT Hall sensor A Hall sensor B Hall sensor C Phase A Phase B Phase C </b>

Thông thường, quỹ đạo từ thơng của động cơ phải có hình trịn, nhưng do sựchuyển mạch khơng lý tưởng của dịng điện nên quỹ đạ ừo t thông của động cơ BLDC có 6 “gai”, “bậc” trong 1 chu kỳ. Việc ước lượng từ thơng tại các “b c” ậ đó là rất khó khăn, do đó rất khó điều khi n t ể ừ thơng động cơ BLDC. Vì thế, việc điều khiển động cơ BLDC cho đến nay đều bỏ qua việc đi u khiển từ thông của nó. ề

H nh 2.6 Quỹ đạo t thơng stator khơng trịn vừ ới 6 bậc trong 1 chu k ỳ

<b> Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến </b>

Đây là phương pháp sử ụng các ước lượ d ng từ thông roto để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cản biến Hall truyền thống. Do đó phương pháp này được gọi là phương pháp điều khiển khơng cảm biến (sensorless control). Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến đố ới động cơ BLDC là dựi v a vào thời điểm qua zezo c a sủ ức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ. Tuy nhiên phương pháp này ch ỉ áp dụng được phương pháp điện áp hình thang.

Về cơ bản có hai kĩ thuật điều khi n không cể ảm biến:

- Một là xác định vị trí roto dựa vào sức điên động của động cơ, phương pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ.

- Hai là ước lượng v trí dùng các thơng s cị ố ủa động cơ, các giá trị điện áp và dịng điện trên động cơ. Phương pháp này tính tốn phứ ạp, khó điềc t u khiển, giá thành cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 t n s và khác nhau v ầ ố ề độ r ng cộ ủa sườn dương hay sườn âm.

H nh 2.7 Dạng đồ thị xung điều chế PWM

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp… Sử d ng PWM ụđiều khiển độ nhanh ch m cậ ủa động cơ, hay cao hơn nữa nó cịn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.

Đây là phương pháp được thực hi n theo nguyên tệ ắc đóng ngắt nguồn c a tủ ải một cách có chu kì theo luật điều ch nh thỉ ời gian đóng cắt. Ph n t ầ ử thực hi n nhi n ệ ệvụ đó trong mạch các van bán dẫn.

H nh 2.8 Nguyên lý điều khiển t i bằng xung PWM

Xét hoạt động đóng ngắ ủt c a 1 van bán d n. Ta có giẫ ản đồ xung c a chân ủđiều khiển và dạng điện áp ra khi dùng PWM.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

29

H nh 2.9 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Trong kho ng th i gian 0 - ta cho m van, toàn b ả ờ 𝑡<small>0</small> ở ộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. còn khoản thời gian từ 𝑡<small>0</small>– T van khoá lại, c t nguồn cung cấp cho tải. ắ

<b>• Điều khi n t</b>ể ố<b>c đ động cơ bằng phương pháp PWM </b>ộ

Trên cơ sở điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng phương pháp điều chỉnh điện áp vào ta có thể áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển tốc độ động cơ. Đây cũng chính là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong điều khiển điện áp hiện nay. V i ớ phương pháp này, điện áp cung c p cho b khố cơng suấ ộ ất khơng đổi, tuy nhiên điện áp ra khỏi bộ khoá đến động cơ thay đổi theo thuật toán điều khiển.

Điều mà chúng ta dễ nh n th y rằng là PWM rậ ấ ất hay được sử dụng trong động cơ để điều khiển động cơ ạt độho ng nhanh, chậm, thuận, nghịch và ổn định tốc độ cho nó. Cái này được ứng d ng nhiụ ều trong điều khiển động cơ 1 chiều.

Ta t o xung PWM bạ ằng vi điều khi n STM32. Vi c t o xung b ng ph n mể ệ ạ ằ ầ ềm cho độ chính xác cao về ầ t n s và PWM. Và giúp mạch đơn giản hơn rất nhiều. ố

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Để điều khiển động cơ BLDC hiện nay với công nghệ ngày càng phát triển nên các nhà s n xu t IC có th tích h p nhi u chả ấ ể ợ ề ức năng trên một IC bán d n vì ẫthế nên vi c nghiên cệ ứu điều khi n các loể ại động cơ gặp nhi u thu n lề ậ ợi hơn trước. Có r t nhi u lo i vi x lý khác nhau c a nhi u hãng khác nhau s n xuấ ề ạ ử ủ ề ả ất nhưng mỗi loại l i có s khác nhau v c u trúc vào ra và chạ ự ề ấ ức năng của các chân cũng khác nhau. Vì v y khi l a ch n vi x lý c n phậ ự ọ ử ầ ải để ý đến mục đích của việc điều khiển động cơ là như thế nào tức là điều khiển cho động cơ loại công suất nào, chủng loại của động cơ. Đố ới động cơ BLDC dùng phương pháp chuyểi v n mạch hai cực tính để ấp điệ c n cho các cuộn dây của động cơ nên 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. Để ệc điề vi u khi n trể ở nên đơn giản hơn, chúng ta lựa chọn điều khiển động cơ BLDC thông qua driver. Với động cơ BLDC sử d ng là lo i DC24V-120W có cơng su t nhụ ạ ấ ỏ, do đó chúng ta lựa ch n ọdriver BLD-120A

Đố ới v i driver BLD-120A thì tín hiệu điều khiển mức 5V. Vì vậy các tín ởhiệu điều khiển từ các loại vi xử lý đưa ra là không giống với mức điện áp của driver, vậy nên để thực hi n truyệ ền động cho động cơ thì ngồi mạch điều khiển dùng vi x lý STM32F030 thì c n ph i có thêm m ch chuyử ầ ả ạ ển đổi m c tín hi u. ứ ệVậy nên trong ph n này s có hai vầ ẽ ấn đề được trình bày, đó là: Thiết kế mạch điều khiển và thiết kế ạ m ch chuyển đổi mức tín hiệu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

- Độ ẩm tương đối khoảng 90% (với nhiệt độ là 20<small>0</small>C)

- Độ bền điện môi cách điện: ≤60V<small>DC </small>500 v/phút, >60𝑉𝐷𝐶1500 v/phút - Kháng cách điện

không nh ỏ hơn 1000MΩ

- Nhiệt độ tăng: ≤75K- Tiếng n: ồ ≤40dB

- Nhiệt độ khơng khí t ừ-10<small>0</small>C đến +40 C <small>0</small>

- Độ ẩm tương đối nhỏ hơn 90%

- Thơng gió tốt

Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P - Số đôi cực: 2

- ĐIện áp định mức: 24V - Dòng điện định mức: 6,8A - Momen xoắn: 7800g.cm - Công suất định mức: 120W - Tốc độ nh m c: 1500v/phút đị ứ

<b> Driver BLD – 120A </b>

H nh 3.2 Driver BLD – 120A Driver BLD – 120A có các tính năng:

- Điều khiển động cơ có cơng suất ≤120W. - Có ch thiế độ ết lập tăng tốc và giảm tốc. - Có chức năng bảo v ngu n (ệ ồ ở chế dòng tđộ ối đa).- Điều khi n d dàng v i bi n áp bên ngoài. ể ễ ớ ế

- Điều ch nh tỉ ốc độ thơng qua tín hi u analog và PWM. ệ- Kích thước nhỏ g n. ọ

Các đặ<b>c tính k thu</b>ỹ <b>ật điện của driver: </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

Dải đi u ề

<b>Thiết lập các ch</b>ức năng:

<b>• Thiết lập dịng điện đầu ra tối đa </b>

Thiết lập dịng điện đầu ra tối đa có nhiệm vụ b o v b ả ệ ộ điều khiển khi động cơ chạy trong trường hợp quá tải dẫn tới cảnh báo quá dòng. Giá trị dòng điện được cài đặt sẽ giống với giá trị dòng điện định mức ứng với động cơ và điện áp thực thế s d ng. Dòng ử ụ điện cài đặt trong kho ng t ả ừ 1,6A đến 8A

H nh 3.3 Biến trở cài đặt dịng điện đầu ra tối đa• Thiết lập tăng tốc và giảm t<b>ốc </b>

Biến tr ở này được dùng để điều ch nh tr c ti p thỉ ự ế ời gian tăng tốc và gi m t c. ả ốTăng t c là khoố ảng thời gian động cơ cần để động cơ chuyể ừ trạng thái đứng n tyên đến trạng thái quay vơi vậ ốc địn t nh m c; gi m t c là kho ng th i gian cứ ả ố ả ờ ần để động cơ chuyển trạng thái từ vận tốc định mức về trạng thái đứng yên. Thời gian cài đặt trong kho ng ả 0,3s đến 15s.

H nh 3.4 Biến tr ở cài đặt thời gian tăng tốc và gi m t<i><b>ốc </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

33

<b>Chức năng của các chân vào ra của driver BLD – 120A: </b>

B ng 3.3 Chức năng các chân của driver BLD – 120A Tên chân Loại tín hiệu Chức năng

BRK

Tín hiệu điều khiển

Tín hiệu phanh kh n c p; khi tín hi u BRK mẩ ấ ệ ở ức thấp, động cơ dừng

EN

Tín hiệu dừng động cơ; khi tín hiệu EN m c cao, ở ứđộng cơ dừng từ từ, khi tín hiệu EN ở mức thấp, động cơ chạy

F/R

Tín hiệu chi u quay cề ủa động cơ; khi tín hiệu F\R ởmức cao, động cơ chạy thuận chiều kim đồng hồ, ngược lại, động cơ chạy ngược chiều kim đồng h . ồ

SV

Chân đầu vào thiết lập tốc đ ; khi tín hiệu SV ở ộmức cao và biến trở xoay hết về ngược chiều kim đồng hồ, động cơ chạy ở tốc đ nh mức, thay đổi ộđịtốc độ động cơ bằng cách xoay bi n trế ở; tín hi u SV ệcũng có thể nh n giá trị ậ xung PWM, để nhận xung PWM, chúng ta c n xoay bi n tr hầ ế ở ết về ngược chiều kim đồng hồ

REF+

Tín hiệu cảm biến Hall

Cực dương nguồn tín hiệu cảm biến Hall

REF- Cực âm nguồn tín hi u cệ ảm biến Hall W

Kết n i vố ới động cơ

Pha (dây) W của động cơ

DC+ _Nguồn Nguồn c p cho driver (5V) ấ

<b>Điều ch nh t</b>ỉ ố<b>c đ </b>ộ<b>động cơ thơng qua tín hiệu analog:</b>

Tín hi u analog có th trong kho ng tệ ể ả ừ 0 đến 5VDC; khi mức điện áp là 0,25VDC, tốc độ động cơ sẽ kho ng 5% tả ốc độ ối đa của động cơ; khi mức điệ t n áp là 4,7VDC, tốc độ động cơ sẽ bằng tốc độ tối đa c a đủ ộng cơ

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

H nh 3.6 Đồ thị tốc độ ủa động cơ ứ c ng v i hớ ệ số điều ch ế

<b> Vi điều khiển STM32F030F4P6 </b>

STM32 là m t trong nh ng dòng chip ph bi n c a ST v i nhi u h thông ộ ữ ổ ế ủ ớ ề ọdụng như F0,F1,F2,F3,F4…. Stm32f030 thuộc h F0 v i lõi là ARM COTEX M0. ọ ớSTM32F030F4P6 là vi điều khi n 32 bit, tể ốc độ ối đa là 48 Mhz. Giá thành cũng tkhá r so v i các loẻ ớ ại vi điều khi n có chể ức năng tương tự. M ch nạ ạp cũng như cơng cụ lập trình khá đa dạng và d s d ng. ễ ử ụ

Một số ng dứ ụng chính: dùng cho driver để điều khi n ng dể ứ ụng, điều khiển ứng dụng thơng thường, thiết b cầm tay, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, ịGPS cơ bản, các ứng d ng trong công nghi p, thi t b l p trình PLC, bi n t n, máy ụ ệ ế ị ậ ế ầin, máy quét, hệ thống c nh báo, thiả ế ị liên lạc nộ ộ… t b i b

Mạch n p: có khá nhi u lo i m ch nạ ề ạ ạ ạp như : ULINK, J-LINK , CMSIS-DAP, STLINK… ở đây em sử dụng STLINK vì giá thành khá rẻ và debug lỗ ối t t.

</div>