Cải thiện chất lượng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp điều khiển giả vector

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN TIẾN THÀNH

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢ VECTƠ

Chuyên ngành:

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TẠ CAO MINH

Hà Nội – Năm 2010


LỜI CAM ĐOAN !

Em xin cam đoan bản luận văn cao học có đề tài: “Cải thiện chất
lượng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than bằng phương
pháp giả vector ” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TS.Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Ngoài các tài liệu thiết kế đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng
không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác. Nếu
phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.
Sinh viên

Nguyễn Tiến Thành

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN !.............................................................................................................1
MỤC LỤC...........................................................................................................................2
DANH MỤC KÝ HIỆU .....................................................................................................6
CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI
THAN ..................................................................................................................................7
1.1.Giới thiệu chung................................................................................................... 7
1.2.Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than (Động cơ BLDC)..................... 8
1.2.1. Stator của động cơ BLDC ................................................................................ 8
1.2.2.Rotor của động cơ BLDC.................................................................................. 9
1.2.3. Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC .............................................................. 10
1.2.4. Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC............................................................. 13
1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC ......................................................... 14
1.3.1. Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 14
1.3.2. Thứ tự chuyển mạch trong động cơ BLDC .................................................... 15
1.4.Đặc tính cơ của động cơ BLDC......................................................................... 18
1.5. So sánh động cơ BLDC với một số động cơ khác............................................ 19

CHƯƠNG 2:MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRUYỀN THỐNG...........................................................................................................22
2.1.Mô tả toán học động cơ BLDC .......................................................................... 22
2.1.1. Mô hình toán học của động cơ ...................................................................... 22
2.1.2. Momen điện từ của động cơ BLDC................................................................ 23
2.1.3. Phương trình động học của động cơ BLDC................................................... 24
2.1.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC................................................ 24

2.2. Thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC .................................................. 25
2.3.Cấu hình điều khiển tổng quát cua động cơ BLDC ........................................... 26
2.4.Tổng hợp các bộ điều khiển .............................................................................. 27
2.4.1.Xây dựng mô hình điều khiển một pha động cơ ............................................. 27
2.4.2. Xây dựng các khối chức năng và tổng hợp bộ điều khiển một pha cho động
cơ BLDC .................................................................................................................. 28
a. Mô hình bộ biến đổi ............................................................................................. 29
b. Khâu phản hồi dòng điện ..................................................................................... 30

2


c. Khâu phản hồi tốc độ ........................................................................................... 31
d. Tổng hợp mạch vòng dòng điện .......................................................................... 31
e. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ................................................................................ 34
2.4.3.Kết quả mô phỏng một pha động cơ BLDC.................................................... 36
2.5.Xây dựng cấu hình điều khiển ba pha động cơ BLDC theo phương pháp điều
khiển truyền thống ................................................................................................... 38
2.5.1.Xây dựng mô hình .......................................................................................... 38
a. Mô hình động cơ BLDC ....................................................................................... 39
b. Mô hình bộ biến đổi ............................................................................................. 44
c. Mô hình bộ điều khiển.......................................................................................... 45
d. Một số các khâu khác. ......................................................................................... 48
2.5.2. Kết quả mô phỏng.......................................................................................... 49

CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KHÔNG CHỔI THAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢ VECTOR....52
3.1.Đặt vấn đề.......................................................................................................... 52
3.2.Phương pháp điều khiển giả vector PVC .......................................................... 52
3.2.1.Hiện tượng nhấp nhô mômen ......................................................................... 52

3.2.2.Phương pháp điều khiển giả vector ................................................................ 55

CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
GIẢ VECTOR..................................................................................................................61
4.1.Xây dựng các khâu để thực hiện bộ điều khiển giả vector PVC........................ 62
4.1.1.Bảng tra sức điện động................................................................................... 62
4.1.2.Mô hình khâu chuyển hệ tọa độ 3phase/2phase ............................................ 62
4.1.3.Khâu tính toán giá trị dòng điện đặt id* ........................................................... 63
4.1.4.Khâu tính toán giá trị dòng điện đặt iq* ............................................................ 64
4.1.5.Khâu chuyển đổi 2phase/3phase.................................................................... 64
4.2.Kết quả mô phỏng mô hình điều khiển động cơ theo phương pháp PVC ......... 66
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 77
1.Đánh giá kết quả................................................................................................... 77
2.Hướng phát triển tiếp theo của đề tài ................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................78

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài chục năm trở lại đây, nối tiếp các thành tựu trên nhiều lĩnh
vực khoa học cơ bản trước đó, nhân loại đã có những bước tiến dài trong
hàng loạt các lĩnh vực như: điện tử công suất, lý thuyết điều khiển, kĩ thuật
đo lường và tin học công nghiệp… Đặc biệt trong đó phải kể tới sự phát
triển vượt bâc trong lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện nói chung
và điều chỉnh tự động động cơ điện nói riêng. Sự phát triển đó đem lại sự
phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thế giới, mang lại nhiều lợi ích cho
con người.

Tuy nhiên, sự phát triển cũng kéo theo các yêu cầu mới, ngày càng
khắt khe hơn, và một trong số đó có thể kể tới là vấn đề ổn định tốc độ trong
dải tốc độ cao; vấn đề về vận hành trong các môi trường khắc nghiệt hay yêu
cầu nghiêm ngặt về chế độ vận hành… Điều đó đặt ra ra yêu cầu phải chế
tạo ra một loại động cơ mới để có thể thỏa mãn được các đòi hỏi khắt khe
đó. Và động cơ một chiều không chổi than ra đời nhằm mục đích đó. Với
các tính năng vượt trội như: hiệu suất cao, ít gây ồn, hoạt động tin cậy trong
dải tốc độ cao, ít phải tiến hành bảo dưỡng, làm việc được trong các môi
trường dễ cháy nổ,... loại động cơ này đang dần trở nên không thể thay thế
trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Đặc biệt, cùng với sự phát triển
không ngừng của kĩ thuật vi xử lý, công nghệ bán dẫn… thì động cơ một
chiều không chổi than đang trở thành một xu hướng phát triển cho tương lai.
Tuy nhiên, động cơ một chiều không chổi than vẫn còn một số hạn
chế như momen bị nhấp nhô, vấn đề về dải tốc độ của động cơ.... Do đó, em
được giao nhiệm vụ thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Cải thiện chất
lượng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than bằng phương
pháp điều khiển giả vector”.
Bản đồ án của em bao gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
4


Chương 2:Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một
chiều không chổi than theo phương pháp điều khiển truyền thống
Chương 3: Điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều không chổi
than bằng phương pháp giả vector
Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động động cơ một
chiều không chổi than theo phương pháo điều khiển giả vector
Do hạn chế về thời gian cũng như về kinh nghiệm thực tế bản thân
nên đồ án còn nhiều chỗ thiếu sót, kính mong các thầy cô chỉ bảo để bản đồ

án được hoàn thiện hơn. Em xin cám ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện nhiệt
tình của các anh trên phòng thí nghiệm tự động hóa, các thầy cô giáo trong
bộ môn và đặc biệt là sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn
là PGS.TS. Tạ Cao Minh.

Hà Nội ngày

tháng 10 năm 2010

Học viên thực hiện

Nguyễn Tiến Thành

5


DANH MỤC KÝ HIỆU

Động cơ BLDC: động cơ một chiều không chổi than
PVC : Pseudo Vector Control-phương pháp điều khiển giả vector.
PWM: Pulse-Width Modulation -điều chế độ rộng xung

6


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
1.1.Giới thiệu chung

Động cơ một chiều có rất nhiều ưu điểm như:có thể điều khiển tốc độ
một cách dễ dàng, đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ
rộng… Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số hạn chế, trong đó có việc hạn chế
do sự chuyển mạch bằng cơ cấu chổi than-vành góp khiến phát sinh ra tiếng
ồn và tia lửa điện nên hạn chế làm việc trong các môi trường làm việc đặc
biệt và hoạt động ở tốc độ cao.
Do đó, để có thể sử dụng được các ưu điểm mà động cơ một chiều
đem lại cũng như hạn chế một số các nhược điểm về chuyển mạch của nó,
người ta đã chế tạo ra động cơ một chiều không chổi than (tiếng anh gọi là:
Brushless DC motor, hay từ nay xin gọi là động cơ BLDC). Do việc không
dùng chổi than nên động cơ BLDC không bị giới hạn bởi sự chuyển mạch
như ở động cơ một chiều. Động cơ này có nhiều ưu điểm hơn động cơ một
chiều, trong đó có thể kể tới là:
-Thời gian hoạt động dài, bền: do không phải dùng chổi than nên động
cơ BLDC không phải thường xuyên bảo dưỡng như động cơ một chiều, do
đó sẽ tiết kiệm được thời gian dừng máy để thay thế chổi than.
-Trong quá trình hoạt động của mình, động cơ BLDC không gây ra
nhiễu trong quá trình chuyển mạch như động cơ một chiều, do đó nó có thể
được đặt trong môi trường dễ cháy nổ. Đồng thời, việc không cần chuyển
mạch bằng chổi than-vành góp nên sẽ giúp giảm thiểu được rất nhiều tiếng
ồn khi vận hành, giúp cải thiện môi trường làm việc.
Tuy vậy, động cơ BLDC vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như việc
mô men bị nhấp nhô do sự chuyển mạch giữa các van và hoạt động trong
vùng tốc độ trên định mức.

7


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
1.2.Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than (Động cơ BLDC)

Động cơ một chiều không chổi than (từ nay xin gọi là động cơ BLDC)
có cấu tạo khác với động cơ một chiều thông thường: thay vì dùng bộ
chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì động cơ BLDC dùng bộ
chuyển mạch điện tử. Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm các bộ phận:
Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử. Trong đó, Stator và
Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục bên
trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngoài
nhưng vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi
nó như một phần của động cơ.
1.2.1. Stator của động cơ BLDC
Stator của động cơ BLDC được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện lại
với nhau, quanh chu vi phía trong có sẻ rãnh để đặt dây dẫn.
Các cuộn dây được cấu tạo từ các bối dây nối nối tiếp với nhau, đặt
trong các rãnh đặt dây dẫn của Stator. Sự bố trí khác nhau của các bối dây
trong các pha sẽ tạo nên sự khác nhau về hình dáng của sức phản điện động
trong Stator của động cơ.
Thông thường thì với động cơ không chổi than có hai dạng hình dáng
của sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Và động cơ có
sức phản điện động hình thang chính là động cơ một chiều không chổi than
do đặc tính cơ của nó có dạng giống mới đặc tính cơ của động cơ một chiều.

Hình 1.1. Sức phản điện động hình thang(BLDC)

8


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
Các cuộn dây có thể được nối với nhau theo cách đấu sao hoặc đấu
tam giác. Các cuộn dây của động cơ BLDC có thể là hai, ba hoặc nhiều pha
nhưng thông dụng nhất là loại ba pha. Phụ thuộc vào công suất động cơ,

người ta có thể chọn động cơ dùng theo tỉ lệ điện áp tương ứng. Các động cơ
công suất nhỏ thường dùng nguồn nhỏ hơn hoặc bằng 48 V, được dùng
trong các chuyển động nhỏ, robot… Còn các động cơ có nguồn trên 100V
thường là loại có công suất trung bình và lớn, thường được dùng trong các
thiết bị công nghiệp, tự động hóa…
1.2.2.Rotor của động cơ BLDC
Rotor của động cơ BLDC được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với số
lượng đôi cực dao động là từ hai đến tám. Ở vùng tốc độ rất cao thì động cơ
với số đôi cực là hai hoặc bốn thường được lựa chọn. Các cực Nam, cực Bắc
được xếp xen kẽ, luân phiên nhau trên Rotor của động cơ.

Rotor lõi tròn với nam Rotor lõi tròn với nam châm
châm đặt trên bề mặt
được đặt trong rotor
Hình 1.2. Một số dạng rotor của động cơ BLDC.
Vật liệu làm nam châm Rotor thông thường có hai loại: Ferrit và hợp
kim. Mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau:nam châm làm từ Ferrit có
giá thành rẻ nhưng mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam
châm Ferrit lại thấp; nam châm làm từ hợp kim có giá thành cao cũng như
công nghệ chế tạo phức tạp hơn, nhưng bù lại mật độ thông lượng từ trên
một đơn vị thể tích của nam châm hợp kim lại cao hơn. Vì vậy mà với cùng
một thể tích thì momen sinh bởi nam châm hợp kim luôn lớn hơn momen
sinh bởi nam châm Ferrit. Do vậy mà với nam châm hợp kim, có thể giảm
9


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
được thể tích của rotor, từ đó giảm được kích thước của động cơ, nên có thể
được ứng dụng trong một số trường hợp đòi hỏi cao về kích không gian đặt
động cơ.

1.2.3. Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC
Nhiệm vụ của bộ cảm biến vị trí Rotor nói chung là tạo ra tín hiệu
đồng bộ sức điện động động cơ phục vụ cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở
bộ chuyển mạch điện tử.
Cảm biến vị trí trong động cơ có thể sử dụng một số loại: Resolver,
encoder quang, cảm biến Hall… Trong nội dung đồ án này, tác giả xin trình
bày về nguyên lý của hai bộ cảm biến vị trí thông dụng nhất là Encoder
quang và cảm biến Hall.
1.Cảm biến vị trí sử dụng Encoder.
Hình (1.3) mô tả cấu tạo cơ bản của một bộ cảm biến vị trí sử dụng
Encoder quang điện, bao gồm bốn sensor quang S1, S2, S3, S4 và các khe
sáng là hai khe vòng cung đối xứng nhau và có độ dài một phần tư vòng
tròn. Các Sensor quang thực chất được cấu tạo bởi một bộ phát ánh sáng
(LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu
thường là photodiode hoặc phototransistor).
Nguyên lý hoạt động: Các bộ phát và bộ thu được gắn cố định, còn
màn chắn sáng được gắn trên đĩa quang được gắn đồng trục với Rotor động
cơ. Khi không có khe sáng thì ánh sáng giữa bộ phát và bộ thu không chiếu
thẳng sang nhau được nên không có tín hiệu (coi như mức 0); còn khi giữa
bộ phát và bộ thu là khe hở thì bộ phát sẽ nhận được tín hiệu từ bộ thu(coi
như mức 1).
Như vậy từ việc đếm số xung của Sensor S4 trên một đơn vị thời gian,
ta sẽ đo được tốc độ động cơ. Đồng thời các xung của Sensor S4 cũng được
sử dụng để làm xung đồng bộ cho bộ đếm để xác định góc hoặc vị trí của
Rotor.

10


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

Sensor S1, S2, S3 được đặt lệch nhau các góc π / 3 . Như vậy tại một
thời điểm chỉ có hai Sensor được chiếu sáng. Khi đĩa quay sẽ tạo ra ba xung
vuông cách nhau các góc π / 3 . Nếu ta chỉnh đĩa quang học theo vị trí nam
châm Rotor, ta sẽ thu được ba xung đồng bộ với sức điện động cảm ứng ở
Stator.

Hình 1.3. Nguyên lý bộ cảm biến vị trí Rotor sử dụng encoder quang.
2.Cảm biến vị trí sử dụng cảm biến Hall
Năm 1879, Edwin Herbert Hall sau những thí nghiệm kiểm chứng
nhận xét của Maxell rằng lực điện từ của từ trường đặt lên dây dẫn không tác
động trực tiếp lên dòng điện mà tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đó, đã
phát hiện ra rằng từ trường từ trường có thể làm thay đổi sự phân bố của
dòng điện trong hầu hết các dây dẫn. Hiệu ứng này có thể được lý giải như
sau: Dòng điện chạy trong dây dẫn chính là sự chuyển động của các hạt
mang điện tích, khi chạy qua từ trường, các điện tích này chịu sự tác dụng
của lực Lorentz nên sẽ bị đẩy về một trong hai phía của thanh dẫn. Sự tập

11


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
trung các điện tích trái dấu ở hai phía của thanh dẫn gây ra hiệu điện thế
Hall.

Hỡnh 1.4. Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh kim loại.
Người ta dựa vào hiệu ứng này để chế tạo các cảm biến Hall trong
động cơ BLDC như sau: người ta cung cấp dòng điện chạy liên tục qua các
cảm biến Hall, các cảm biến này được gắn cố định so với Rotor của động cơ
BLDC. Khi Rotor của động cơ BLDC quay, các nam châm được gắn trên đó
quay theo, mỗi khi các cực của nam châm Rotor đi qua khu vực gần các cảm

biến Hall, mật độ điện tích trong các thanh dẫn trong cảm biến Hall sẽ bị
lệch theo một hướng, tùy theo đó là cực Bắc hay cực Nam (thực chất là tùy
theo chiều của từ trường quét qua thanh dẫn). Việc đo hiệu điện thế giữa hai
phía của thanh dẫn sẽ giúp ta biết được cực nào đang quét qua cảm biến, do
đó có thể xác định được vị trí của Rotor. Tổ hợp các tín hiệu nhận được từ
cảm biến Hall đưa về, ta sẽ tạo ra được các luật chuyển mạch cho động cơ.

12


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

Hình 1.5. Cấu trúc nằm ngang của động cơ BLDC.
Hình (1.5) biểu diễn mặt cắt ngang của một động cơ BLDC với roto
có gắn các nam châm vĩnh cửu. Các cảm biến Hall được gắn vào phần
không chuyển động của động cơ. Do quá trình gắn các cảm biến Hall rất là
phức tạp, nên trong một số động cơ, người ta có thể gắn các nam châm phụ
phục vụ cho riêng cảm biến Hall: chúng là các phiên bản thu nhỏ của các
nam châm gắn trên Rotor, nên khi trục Rotor quay, chúng cũng đem lại tín
hiệu như tín hiệu của các nam châm gắn trên Rotor.
Việc gắn các cảm biến Hall cũng tương tự như việc đặt các cảm biến
quang trong encoder,các cảm biến có thể được đặt lệch nhau các góc π / 3
hoặc 2π / 3 . Tín hiệu ra tương tự như tín hiệu ra của các cảm biến S1, S2,
S3 của Encoder.
Cảm biến Hall yêu cầu phải có nguồn cấp với dải điện áp từ 4 đến
24V và dòng từ 5 đến 15mA. Đầu ra của cảm biến Hall thường là kiểu
collector hở nên cần phải treo trở vào khi sử dụng.
1.2.4. Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC
Bộ chuyển mạch về bản chất là bộ nghịch lưu bị động theo sức điện động
của Stator.

13


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

Hình 1.6. Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC.
Tùy thuộc vào số pha của động cơ mà bộ chuyển mạch điện tử có số
van tương ứng. Hình (1.6) trên mô tả bộ chuyển mạch của động cơ BLDC ba
pha, sử dụng sáu van công suất IGBT từ T1 đến T6 và các diode D1 đến D6
nhằm bảo vệ van chống điện áp ngược xuất hiện khi chuyển mạch, trao đổi
công suất giữa nguồn và động cơ, tham gia vào quá trình chuyển mạch. Bộ
điều khiển nhận biết tín hiệu từ cảm biến Hall đồng bộ với suất phản điện
động của động cơ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển các van công suất dẫn theo
các luật đã được xác định trước
1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
1.3.1. Nguyên lý hoạt động
Việc chuyển mạch tuần tự của các van công suất dựa theo tín hiệu
đồng bộ thu về từ bộ cảm biến vị trí sẽ cấp điện lần lượt cho các cuộn dây
theo các chiều xác đinh trước, tạo ra một từ trường quay, tạm gọi là từ
trường quay của Stator. Từ trường quay của Stator quét qua từ trường của
nam châm vĩnh cửu gắn trên Rotor sinh ra momen, kéo Rotor quay. Như
vậy, chính sự tương tác giữa từ trường quay của Stator với từ trường của các
nam châm trên Rotor là nguyên nhân sinh ra momen quay của động cơ.

14


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
1.3.2. Thứ tự chuyển mạch trong động cơ BLDC

Mỗi một chu kì cơ có thể bao gồm một số chu kì điện, tùy thuộc vào
số lượng cặp cực tương ứng được gắn trên Rotor động cơ. Do vậy, để tiện
cho việc thuyết minh, ta sẽ sử dụng độ điện trong các thuyết minh dưới đây.

Hình 1.7. Sơ đồ mô tả thứ tự cấp điện cho các pha của động cơ BLDC trong
trường hợp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ.
Hình (1.7) mô tả thứ tự cấp điện cho các cuộn dây trong động cơ
BLDC đấu sao [TL-8]. Trong một chu kì điện, các van được luân phiên nhau
dẫn tạo ra sáu trạng thái dẫn dòng cho động cơ. Để có được như vậy, người
ta phải dựa vào tín hiệu của các cảm biến để đưa ra tín hiệu phát xung mở
cho các van thích hợp. Quan hệ giữa các tín hiệu thu về từ cảm biến thông
dụng nhất là cảm biến Hall và sức phản điện động, dòng điện pha được mô
tả trong hình (1.8)

15


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

HALL1

HALL2

HALL3

EA

EB

EC

IA

IC

Hình 1.8. Tín hiệu từ cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện
pha.
Cứ 60° điện thì các tín hiệu đưa về từ cảm biến Hall sẽ thay đổi một
lần, như vậy trong một chu kì điện, các cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái
tổng cộng là sáu lần tương ứng với sáu lần chuyển mạch của các van công
suất.

16


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
Động cơ có thể quay thuận, quay ngược và ứng với các trường hợp đó
ta sẽ phải cấp xung mở theo thứ tự khác nhau trong một chu kì điện cho các
van công suất.
Bảng 1.1. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
Thứ
tự

Đầu vào các cảm biến
Hall

Các van dẫn

1

2

3

1

0

0

1

T1

2

1

0

1

3

1

0

4

1

5
6

Dòng điện các pha sau bộ
nghịch lưu
A

B

C

T2

DC+

-

DC-

T3

T2

-

DC+

DC-

0

T3

T4

DC-

DC+

-

1

0

T5

T4

DC-

-

DC+

0

1

0

T5

T6

-

DC-

DC+

0

1

1

T1

T6

DC+

DC-

-

Bảng 1.2. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

Thứ
tự

Đầu vào các cảm biến
Hall

Các van dẫn

1

2

3

1

0

0

1

T1

2

0

1

1

3

0

1

4

1

1

Dòng điện các pha sau bộ
nghịch lưu
A

B

C

T2

DC+

-

DC-

T1

T6

DC+

DC-

-

0

T5

T6

-

DC-

DC+

0

T5

T4

DC-

-

DC+

17


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
5

1

0

0

T3

T4

DC-

DC+

-

6

1

0

1

T3

T2

-

DC+

DC-

Các van sẽ được cấp xung mở theo thứ tự như trên và động cơ sẽ chạy
ở tốc độ định mức với giả thiết là điện áp cấp cho động cơ là điện áp định
mức, không kể tổn thất điện áp rơi trên các van và dây dẫn. Để điều khiển
động cơ quay theo tốc độ mong muốn, người ta có thể làm hai cách: cách
thứ nhất sử dụng một van công suất để điều khiển dòng điện một chiều chảy
vào bộ nghịch lưu,cách thứ hai là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng
xung.
1.4.Đặc tính cơ của động cơ BLDC

Hình 1.9.Đặc tính cơ của động cơ BLDC.
Đặc tính cơ của động cơ BLDC có dạng như trên hình(1.9). Động cơ
BLDC làm việc trong 2 vùng momen: vùng momen gián đoạn và vùng
momen liên tục.
Trong vùng momen liên tục, động cơ có thể đạt momen định mức TR.
Động cơ BLDC có thể giữ momen ở định mức khi tốc độ động cơ dưới tốc
18

Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
độ định mức. Do giới hạn về công suất động cơ nên khi tốc độ động cơ tăng
trên tốc độ định mức, momen bắt đầu giảm để đảm bảo công suất động cơ
không đổi. Tốc độ động cơ lớn nhất có thể bằng 150% tốc độ định
mức.Vùng momen không liên tục là vùng momen trên định mức. Trong thực
tế, có nhiều ứng dụng đòi hỏi động cơ phải thường xuyên khởi động, dừng
hay đảo chiều quay của động cơ khi có tải. Khi đó đòi hỏi động cơ phải sinh
ra momen lớn hơn momen định mức. Đặc biệt trong các ứng dụng có chế độ
làm việc ngắn hạn, động cơ phải thực hiện khởi động từ trạng thái đứng yên
và diễn ra trong suốt quá trình gia tốc của động cơ.
1.5. So sánh động cơ BLDC với một số động cơ khác
Bảng 1.3. So sánh giữa động cơ BLDC với động cơ DC chổi than
Đặc điểm

Động cơ BLDC

Động cơ DC chổi than

Chuyển
mạch

chuyển mạch điện tử trên cơ
sở các cảm biến vị trí

chuyển mạch chổi than

Bảo dưỡng

Ít yêu cầu do không dùng
chổi than

Yêu cầu bảo dưỡng định kì

Thời gian
làm việc

Dài hơn

Ngắn hơn

Đặc tính cơ Êm-cho phép hoạt động ở tất
cả các tốc độ với tải xác định
Hiệu suất
Công suất
ra/kích
thước cơ
cấu

Quán tính

Cao-không có điện áp rơi
qua chổi than

Êm trung bình-ở tốc độ cao
hơn, ma sát chổi tăng, do đó
giảm mô men hữu ích
Vừa phải

Cao-giảm được kích thước vì Trung bình/thấp-nhiệt được tạo
các đặc tính nhiệt cao. Động ra bởi phần ứng được tiêu tán
cơ BLDC có các cuộn dây
trong khe hở không khí, do đó
trên Stator, nó được nối với làm tăng nhiệt trong khe không
vỏ, nhiệt được tiêu tán tốt
khí và sự giới hạn an toàn công
hơn
suất ra/kích thước cơ cấu
Thấp, bởi vì có các nam
19

Quán tính roto cao hơn do có


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
Rotor

châm vĩnh cửu trên roto.
Điều này làm tăng sự linh
hoạt trong điều khiển động
cơ

các cuộn dây đặt trong phần
ứng động cơ

Dải tốc độ

Cao hơn-do không bị hạn
chế bởi sự chuyển mạch cơ

khí như động cơ một chiều
thông thường

Thấp hơn-do hạn chế về
chuyển mạch bằng cơ cấu
chuyển mạch chổi than-vành
góp

Sự phát
sinh nhiễu

Thấp

Hồ quang ở chổi than khi
chuyển mạch sinh ra nhiễu điện
ảnh hưởng tới các thiết bị xung
quanh

Giá chế tạo

Cao hơn-vì có nam châm
vĩnh cửu

Thấp

Điều khiển

phức tạp và đắt

Đơn giản và rẻ

Các yêu
cầu điều
khiển

Luôn phải duy trì hoạt động
của bộ điều khiển vì nếu
thiếu thì động cơ không thể
quay được.

Chỉ cần tới bộ điều khiển khi
cần thay đổi tốc độ động cơ
trong quá trình làm việc.

Bảng 1.4. So sánh động cơ BLDC với không đồng bộ rotor dây quấn
Đặc điểm
Công suất
ra/kích
thước cơ
cấu
Dòng khởi
động

Động cơ BLDC

Động cơ không đồng bộ

Cao-vì nó có nam châm vĩnh Vừa phải-vì cả stator và roto có
cửu trên roto
các cuộn dây, công suất ra thấp

hơn BLDC với động cơ cùng
kích thước
Định mức-không yêu cầu
mạch khởi động đặc biệt
20

Cao,có thể lên tới bảy lần giá
trị định mức nên cần phải hạn


Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than
chế dòng khởi động. Bình
thường có thể dùng mạch khởi
động đổi nối sao-tam giác
Các yêu
cầu điều
khiển

Luôn phải duy trì hoạt động
của bộ điều khiển vì nếu
thiếu thì động cơ không thể
quay được.

Chỉ cần tới bộ điều khiển khi
cần thay đổi tốc độ động cơ
trong quá trình làm việc

Độ trượt

Không có độ trượt giữa tần

số Rotor và Stator

Roto chạy ở tần số thấp hơn
stator

21


Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều
không chổi than theo phương pháp truyền thống

CHƯƠNG 2:MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN
ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THỐNG

2.1.Mô tả toán học động cơ BLDC
2.1.1. Mô hình toán học của động cơ
Stator động cơ có ba cuộn dây được cấp nguồn bởi điện áp ba pha có
độ lớn lần lượt là Ua, Ub, Uc.Khi được cấp nguồn, các cuộn dây Stator sinh
ra dòng điện, dòng điện này sinh ra từ trường quay quét qua từ trường của
nam châm Rotor. Sự tương tác giữa hai từ trường của Stator và Rotor của
động cơ sẽ làm cho Rotor động cơ quay. Do từ trường Rotor quay nên sẽ
làm xuất hiện trong cuộn dây Stator các sức phản điện động tương ứng là
Ea, Eb, Ec. Giả sử điện trở và điện cảm tương ứng của các pha là Ra, Rb, Rc
và La, Lb, Lc. Như vậy ta sẽ có sơ đồ thay thế như trên hình (2.1).

Hình 2.1. Mô hình toán học động cơ BLDC.
22

Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều
không chổi than theo phương pháp truyền thống
Phương trình tổng quát được trình bày theo công thức (2-1)
⎡Ua ⎤ ⎡ Ra 0 0⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ La Lba Lca ⎤ ⎡dia / dt ⎤ ⎡ Ea ⎤
⎢Ub ⎥ = ⎢0 Rb 0⎥.⎢ib ⎥ + ⎢ Lba Lb Lcb ⎥.⎢dib / dt ⎥ + ⎢ Eb ⎥
⎥ ⎢ ⎥
⎥⎢
⎥⎢ ⎥ ⎢
⎢ ⎥ ⎢
⎣⎢Uc ⎦⎥ ⎣⎢0 0 Rc ⎦⎥ ⎣⎢ic ⎦⎥ ⎣⎢ Lca Lcb Lc ⎥⎦ ⎢⎣dic / dt ⎦⎥ ⎣⎢ Ec ⎦⎥

(2-1)

Trong đó: Lba, Lca, Lcb là hỗ cảm giữa các cuộn dây của các pha.Giả thiết
các
pha
hoàn
toàn
đối
xứng
ta
sẽ
thu
được
Ra=Rb=Rc=R;La=Lb=Lc=L;Lba=Lca=Lcb=M.
Sau khi Laplace hóa phương trình (2-1) và giả thiết các pha hoàn toàn đối
xứng ta sẽ thu được phương trình mới như công thức (2-2)
⎡Ua ⎤ ⎡ R 0 0⎤ ⎡ia ⎤
⎡ L M M ⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ Ea ⎤
⎢Ub ⎥ = ⎢0 R 0⎥.⎢ib ⎥ + s.⎢ M L M ⎥.⎢ib ⎥ + ⎢ Eb ⎥

⎢ ⎥ ⎢
⎥⎢ ⎥
⎢
⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥
⎢⎣Uc ⎥⎦ ⎢⎣0 0 R ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦
⎢⎣ M M L ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ Ec ⎥⎦

(2-2)

Ta lại có: ia+ib+ic=0 (luật Kirhoff) cho nên: M.ib+M.ic=-M.ia. Tương tự
cho các pha khác, thay vào phương trình (2-2) thu được:
0 ⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ Ea ⎤
⎡Ua ⎤ ⎡ R 0 0⎤ ⎡ia ⎤
⎡L − M 0
⎢Ub ⎥ = ⎢0 R 0⎥.⎢ib ⎥ + s.⎢ 0
L − M 0 ⎥⎥.⎢⎢ib ⎥⎥ + ⎢⎢ Eb ⎥⎥
⎢ ⎥ ⎢
⎥⎢ ⎥
⎢
⎢⎣Uc ⎥⎦ ⎢⎣0 0 R ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦
⎢⎣ 0
0
L − M ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ Ec ⎥⎦

Đặt Ls=L-M và sau khi biến đổi ta sẽ được:
0 ⎤ ⎡⎡Ua⎤ ⎡ R 0 0⎤ ⎡ia⎤ ⎡ Ea⎤ ⎤
⎡ia⎤ ⎡1 / Ls 0
⎢
⎥
⎢

⎥
⎢
s.⎢ib⎥ = ⎢ 0 1 / Ls 0 ⎥⎥.⎢⎢⎢Ub⎥⎥ − ⎢⎢0 R 0⎥⎥ ⎢⎢ib⎥⎥ − ⎢⎢ Eb⎥⎥ ⎥
⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ 0
0 1 / Ls⎥⎦ ⎢⎣⎢⎣Uc ⎥⎦ ⎢⎣0 0 R⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ Ec ⎥⎦ ⎥⎦

(2-3)

Công thức (2-3) chính là công thức mô tả mô hình động cơ dưới dạng toán
học.
2.1.2. Momen điện từ của động cơ BLDC
Công suất điện cấp cho động cơ: Pđ=Ea.ia+Eb.ib+Ec.ic
Công suất cơ sinh ra ở đầu trục động cơ: Pc= M .ω
Với M là momen điện từ và ω là tốc độ của động cơ.
Bỏ qua tổn thất trong động cơ, có phương trình cân bằng công suất: Pđ=Pc
23


Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều
không chổi than theo phương pháp truyền thống
Do đó momen điện từ của động cơ là:

M=

Ea .ia + Eb .ib + Ec .ic

ω

(2-4)

2.1.3. Phương trình động học của động cơ BLDC
Phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng:
M= ( Jm + Jc).

dω
+ M f + Mc
dt

(2-5)

Trong đó:

+M: momen điện từ của động cơ
+Jm: momen quán tính của động cơ
+Jc:momen quán tính của tải
+Mf= D.ω : momen ma sát với D là hệ số nhớt.
+Mc: momen tải
Đặt J=Jm+Jc và Laplace hóa phương trình (2-5) thì thu được:
ω=

M − D.ω − M c
J .s

(2-6)

2.1.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC

Hình 2.2. Sơ đồ thay thế một pha động cơ BLDC.
Do đặc điểm động cơ BLDC với các cuộn dây Stator mắc hình sao là tại
một thời điểm luôn có hai pha dẫn,nên công suất điện của động cơ là:

24