Đồ án tốt nghiệp xây dựng và điều khiển động cơ BLDC xe đạp điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.57 MB, 101 trang )
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BLDC XE ĐẠP ĐIỆN
GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí
SVTH: Nguyễn Hữu Đức Thiện
MSSV: 13141335
SVTH: Phạm Hữu Trí
MSSV: 13141384
TP. Hồ Chí Minh – 26/1/2018
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BLDC XE ĐẠP ĐIỆN
GVHD: ThS. Đỗ Đức Trí
SVTH: Nguyễn Hữu Đức Thiện
MSSV: 13141335
SVTH: Phạm Hữu Trí
MSSV: 13141384
TP. Hồ Chí Minh – 26/1/2018
i
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
TP. HCM, ngày 29 tháng 9 năm 2017
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nguyễn Hữu Đức Thiện
MSSV: 13141335
Phạm Hữu Trí
MSSV: 13141384
Chuyên ngành:
CNKT Điện tử - Truyền thông
Mã ngành:
141
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:
2013
Lớp:
13141DT1
Họ tên sinh viên:
I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Nhóm chọn động cơ BLDC sử dụng cảm biến Hall, sử dụng vi xử lý để nhận tín hiệu
từ cảm biến và điều khiển động cơ BLDC.
2. Nội dung thực hiện:
NỘI DUNG 1: Nguyên lý động cơ BLDC.
NỘI DUNG 2: Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC
NỘI DUNG 3: Thiết kế phần cứng hệ thống.
NỘI DUNG 4: Lập trình phần mềm và mô phỏng.
NỘI DUNG 5: Hoạt động thử và chỉnh sửa.
NỘI DUNG 6: Xây dựng mô hình xe đạp điện.
NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả thực hiện
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
02/10/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/01/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
ThS. Đỗ Đức Trí
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
ii
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
TP. HCM, ngày 29 tháng 9 năm 2017
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên1:NGUYỄN HỮU ĐỨC THIÊN______Mssv: 13141335_____________
Lớp: 13141DT1________________________________
Họ tên sinh viên2:PHẠM HỮU TRÍ________________Mssv: 13141384_____________
Lớp: 13141DT1________________________________
Tên đề tài: Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện.
1.MÔ TẢ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:
Mục tiêu điều khiển được động cơ BLDC và sử dụng năng lượng mặt trời để sạc
bình ắc-quy.
Điều khiển động cơ BLDC thông qua vi điều khiển.
2.MÔ TẢ CÔNG VIỆC THỰC HIỆN CỦA TỪNG SINH VIÊN:
Họ và tên sinh viên 1: NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN
Các công việc thực hiện trong hiện tại:
STT
NỘI DUNG CÔNG VIỆC
1
Tìm hiểu về động cơ BLDC, mạch nghịch lưu 3 pha và DSPIC.
2
Lập trình cho vi xử lý.
3
Thiết kế mô hình
4
Họ và tên sinh viên 2: PHẠM HỮU TRÍ
Các công việc thực hiện trong hiện tại:
STT
NỘI DUNG CÔNG VIỆC
1
Tìm hiểu về động cơ BLDC, mạch nghịch lưu 3 pha và DSPIC.
2
Tính toán linh kiện và thiết kế phần cứng.
3
Thiết kế mô hình
4
Sinh viên 1
(Ký ghi rõ họ tên)
Sinh viên 2
(Ký ghi rõ họ tên)
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký ghi rõ họ tên)
iii
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
TP. HCM, ngày 29 tháng 9 năm 2017
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN .........................................................
Lớp: 13141DT1 ............................................................. MSSV: 13141335 ......................
Họ tên sinh viên 2: PHẠM HỮU TRÍ .............................................................................
Lớp: 13141DT1 ............................................................. MSSV: 13141384 ......................
Tên đề tài: Xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện.
Tuần/ngày
02/10/201708/10/2017
09/10/201715/10/2017
16/10/201722/10/2017
23/10/201729/10/2017
30/10/201705/11/2017
06/11/201712/11/2017
13/11/201719/11/2017
20/11/201726/11/2017
27/11/201703/12/2017
04/12/201710/12/2017
11/12/201717/12/2017
18/12/201724/12/2017
25/12/201731/12/2017
01/01/201807/01/2018
Xác nhận
GVHD
Nội dung
Nhận đề tài.
Lựa chọn linh kiện, vẽ sơ đồ khối và sơ đồ
nguyên lý khi tìm hiểu đến.
Tìm hiểu bộ nghịch lưu cầu 3 pha, tấm pin năng
lượng mặt trời, động cơ BLDC.
Tìm hiểu về acquy, mạch chuyển điện từ pin
năng lượng mặt trời xuống acquy.
Tìm hiểu bộ xung kích, bộ cách ly, bộ xử lý
trung tâm.
Tìm hiểu tài liệu vi xử lý dùng để lập trình để
phát xung.
Tiến hành làm phần cứng và chạy thử khi câp
nguồn.
Kết nối vi điều khiển điều chỉnh xuất ra dạng
xung mong muốn.
Kết nối động cơ chạy thử theo cảm biến.
Chạy thử sản phẩm ra môi trường thực tế.
Sửa chữa và thiết kế lại khung xe.
Hoàn thành phần cứng.
Viết báo cáo.
Hoàn thành bản báo cáo.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iv
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không hoàn
toàn sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN – PHẠM HỮU TRÍ
v
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Đỗ Đức Trí – Các Thầy, Cô bộ môn
Điện Tử Công Nghiệp, Phòng thí nghiệm D405 đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình
giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm chúng em hoàn thành tốt đề tài.
Do kiến thức còn hạn chế nên có nhiều thiếu sót, trong quá trình nghiên cứu
đề tài được Thầy chỉ những chỗ thiếu sót, chia sẻ kinh nghiệm của mình khi nhóm em
sai. Em xin cảm ơn thầy.
Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện – Tử
đã hỗ trợ phòng thí nghiệm Điện tử công suất D405 tạo điều kiện tốt nhất cho em
hoàn thành đề tài.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp 13141DT1 đã chia sẽ trao
đổi kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
NGUYỄN HỮU ĐỨC THIỆN – PHẠM HỮU TRÍ
vi
MỤC LỤC
Trang bìa .................................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii
Lịch trình ................................................................................................................ iv
Cam đoan ................................................................................................................. v
Lời cảm ơn ............................................................................................................... vi
Mục lục ................................................................................................................... vii
Liệt kê hình .............................................................................................................. xi
Liệt kê bảng ......................................................................................................... xiii
Tóm tắt .................................................................................................................. xiv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 2
1.2. MỤC TIÊU .................................................................................................. 3
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI...................................................................................... 3
1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 3
1.5 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU .............................. 3
1.5.1 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 3
1.5.2 Phương tiện nghiên cưu........................................................................... 3
1.6. BỐ CỤC ....................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................ 5
2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC ............................................................ 5
2.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ BLDC ............................................................. 8
2.2.1 Stator ....................................................................................................... 8
2.2.2 Rotor ...................................................................................................... 10
2.2.3 Cảm biến Hall (Hall sensor) .................................................................. 11
2.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) ....................... 12
2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BLDC ................................................ 13
2.4 CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC .................. 14
2.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) ................... 14
2.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) .......................... 15
vii
2.5 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC ........................ 16
2.5.1 Mô-men điện từ ..................................................................................... 16
2.5.2 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC ........................... 16
2.5.3 Sức phản điện động ............................................................................... 17
2.6 MÔ HÌNH TOÁN VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BLDC .......................................................................................... 17
2.6.1 Mô hình toán ......................................................................................... 17
2.6.2 Mô-men điện từ ..................................................................................... 18
2.6.3 Phương trình động học của động cơ BLDC .......................................... 19
2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC ......................... 20
2.7.1 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC 3 pha .................................... 20
2.7.2 Điều khiển bằng phương pháp PWM .................................................... 23
2.8 LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƯU .............................................................. 23
2.8.1 Bộ nghịch lưu 1 pha .............................................................................. 23
a) Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................... 23
b) Nguyên tắc hoạt động ............................................................................. 24
2.8.2 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu ................................................................. 25
a) Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................... 25
b) Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 25
2.8.3 Bộ nghịch lưu 3 pha .............................................................................. 26
2.9 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 28
2.9.1 IC ổn áp LM2576 .................................................................................. 28
2.9.2 IC cách ly điện ....................................................................................... 28
2.9.3 IC ổn áp LM317 .................................................................................... 30
2.9.4 IC driver ................................................................................................ 30
2.9.5 Mosfet .................................................................................................... 32
2.9.6 Màn hình LCD16x02 ............................................................................ 33
2.9.7 Vi điều khiền ......................................................................................... 35
a) Ngắt của DSPIC30F4011 ....................................................................... 37
b) Cổng vào ra của DSPIC30F4011 ........................................................... 38
c) Các bộ định thời...................................................................................... 38
d) Module chuyển đổi tương tự - số ADC 10bit......................................... 39
viii
e) Module PWM điều khiển động cơ ......................................................... 41
2.9.8 Module sạc ắc-quy ................................................................................ 42
2.9.9 ẮC-QUY(ACCU).................................................................................. 42
a) Khái niệm ACCU ................................................................................... 42
b) Phân loại và cấu tạo Ắc-quy ................................................................... 43
2.9.10 Giới thiệu tay ga .................................................................................. 44
2.9.11 Tấm pin năng lượng mặt trời............................................................... 44
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................. 45
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 45
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................... 46
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối ................................................................................. 46
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ..................................................................... 48
a) Thiết kế khối xử lý trung tâm ................................................................. 48
b) Thiết kế khối kích Mosfet ...................................................................... 49
c) Thiết kế khối công suất........................................................................... 50
d) Thiết kế khối nguồn 12V kích Mosfet ................................................... 51
e) Thiết kế khối nguồn 5V .......................................................................... 52
f) Khối hiển thị............................................................................................ 52
3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH........................................................ 53
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................... 54
4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................ 54
4.1.1 Thi công board mạch.............................................................................. 54
4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................ 56
4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG........................................................................... 56
4.2.1 Lưu đồ giải thuật .................................................................................... 56
4.2.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ................................................... 60
a) Giới thiệu về CCS ................................................................................... 60
b) Chương trình hệ thống............................................................................ 61
4.2.3 Phần mềm mô phỏng mạch điện tử ........................................................ 61
ix
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ .............................. 63
5.1 Kết quả ........................................................................................................ 63
5.1.1 kết quả dạng sóng ................................................................................... 63
5.1.2 Kết quả xe đạp điện ................................................................................ 64
5.1.3 Kết quả khi xe kéo tải ............................................................................ 65
5.1.4 Kết quả khi sạc bình ắc-quy ................................................................... 66
5.2 Nhận xét ...................................................................................................... 66
5.3 Đánh giá ...................................................................................................... 67
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................ 68
6.1 Kết luận ....................................................................................................... 68
6.2 Hướng phát triển ......................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 69
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 71
x
LIỆT KÊ HÌNH
Hình
Trang
Hình 1.1: Môi trường bị ô nhiễm .............................................................................. 1
Hình 1.2: Các phương tiện sử dụng điện................................................................... 2
Hình 2.1: Cấu tạo của 2 loại động cơ một chiều ....................................................... 5
Hình 2.2: Động cơ một chiều .................................................................................... 6
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ. ........................................................ 8
Hình 2.4: Stator của động cơ BLDC. ........................................................................ 9
Hình 2.5: Hai dạng sóng của sức điện động. ............................................................. 9
Hình 2.6: Các loại Rotor động cơ BLDC. ................................................................. 10
Hình 2.7: Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang. ........................................................ 11
Hình 2.8: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây Stator. ................................................... 13
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ BLDC.......................................... 14
Hình 2.10: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường Stator. ...................... 14
Hình 2.11: : Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC. ................................... 16
Hình 2.12: Đặc tính của động cơ BLDC. .................................................................. 16
Hình 2.13: Mô hình mạch điện của động cơ BLDC. ................................................ 18
Hình 2.14: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha. ............. 21
Hình 2.15: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dậy tương ứng với cảm biến Hall. .......... 22
Hình 2.16: Giản đồ xung điều khiển PWM kênh trên............................................... 23
Hình 2.17: Sơ đồ mạch nguyên lý nghịch lưu cầu 1 pha. ......................................... 23
Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 1 pha. ...................................... 24
Hình 2.19: Sơ đồ đẩy kéo mạch nghịch lưu .............................................................. 25
Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 3 pha. ................................................ 26
Hình 2.21: : Đồ thị dạng sóng điều khiển ................................................................. 26
Hình 2.22: Sơ đồ điều khiển ...................................................................................... 27
Hình 2.23: IC LM2576. ............................................................................................. 28
Hình 2.24: IC HCPL 2631......................................................................................... 29
Hình 2.25: IC LM317 ................................................................................................ 31
Hình 2.26: IC IR2102 ................................................................................................ 31
Hình 2.27: RFP70N06. .............................................................................................. 32
Hình 2.28: LCD 16x02. ............................................................................................. 34
xi
Hình 2.29: Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011. .............................. 37
Hình 2.30: Module sạc ắc-quy .................................................................................. 42
Hình 2.31: Mô phỏng 2 bản cực ACCU axit............................................................. 43
Hình 2.32: Tay ga xe đạp điện .................................................................................. 44
Hình 2.33: Tấm pin năng lượng mặt trời .................................................................. 44
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch điều khiển xe đạp điện .................................................. 46
Hình 3.2: Khối xử lý trung tâm ................................................................................. 48
Hình 3.3: Khối kích Mosfet....................................................................................... 49
Hình 3.4: Khối công suất........................................................................................... 50
Hình 3.5: Khối nguồn 12V ........................................................................................ 51
Hình 3.6: Khối nguồn 5V .......................................................................................... 52
Hình 3.7: Khối hiển thị LCD 16x02 .......................................................................... 52
Hình 4.1: Sơ đồ mạch in điều khiển .......................................................................... 54
Hình 4.2: Sơ đồ mạch in mạch cách ly, mạch kích và mạch công suất .................... 54
Hình 4.3: Sơ đồ đi dây mạch điều khiển. .................................................................. 55
Hình 4.4: Sơ đồ đi dây cách ly, mạch kích và mạch công suất ................................. 55
Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 58
Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật chương trình con đọc cảm biến tay ga, Hall và phanh 59
Hình 4.7: Phần mềm CCS ......................................................................................... 60
Hình 4.8: Phần mềm thiết kế mạch. .......................................................................... 61
Hình 5.1: Dạng sóng điều khiển của chân băm xung. ............................................... 63
Hình 5.2: Dạng sóng điều khiển của chân băm xung so với chân xung chốt. .......... 63
Hình 5.3: Dạng sóng điều khiển của chân xung chốt. ............................................... 63
Hình 5.4: Dạng sóng điện áp ngõ ra .......................................................................... 64
Hình 5.5: Mô hình xe đạp điện... ............................................................................... 64
Hình 5.6: Đồ thị vận tốc phụ thuộc vào tải trọng được đặt lên xe khi hoạt động ..... 65
Hình 5.7: Module khi đang sạc bình ắc quy.............................................................. 66
xii
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng
Trang
Bảng 2.1: So sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC ................................................. 6
Bảng 2.2: So sánh hai phương pháp điều chế điện áp và phương pháp điều chế dòng
điện. ................................................................................................................................. 20
Bảng 2.3: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay.......................................................... 22
Bảng 2.4: Bảng trạng thái các khóa được kích ở trangh thái dẫn 1800 , lệch 600 ......... 27
Bảng 2.5: Đánh giá các Opto phổ biến trên thì trường. ................................................. 29
Bảng 2.6: Đánh giá các Driver phổ biến trên thì trường. ............................................... 30
Bảng 2.7: Đánh giá các loại Mosfet phổ biến trên thì trường. ....................................... 33
Bảng 2.8: Các chân của LCD ......................................................................................... 34
Bảng 5.1: Số liệu thống kê tốc độ phụ thuộc vào trọng tải xe chịu được....................... 65
xiii
TÓM TẮT
Hiện nay xe đạp điện đã và đang sử dụng rất phổ biến trong nước và ngoài
nước. Nhóm em đã chọn động cơ BLDC để nghiên cứu cách thức hoạt động và các
phương pháp điều khiển.
Động cơ BLDC là động cơ một chiều không chổi than được điều khiển nhờ sử
dụng các cảm biến Hall để xác định được vị trí Rotor để đưa tín hiệu về cho vi điều
khiển xử lý và điều khiển tốc độ động cơ, dựa vào hoạt tính của cảm biến Hall mà
động cơ BLDC được điều khiển một cách đồng bộ và linh hoạt hơn. Động cơ BLDC
ưu điểm hơn so với motor DC. Nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển cũng
đơn giản hơn, bảo trì bảo dưỡng ít hơn.
Nội dung nghiên cứu nhóm em sử dụng vi điều khiển DSPIC30F4011 và một
số loại IC thông dụng là IR2102. HCPL2631 để điều khiển động cơ BLDC, trong vi
điều khiển này được tích hợp 6 chân PWM, sử dụng PWM này để thay đổi độ rộng
xung cũng như thay đổi tốc độ điều khiển cho động cơ.
xiv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời điểm hiện tại, nền kinh tế tăng trưởng mạnh, công nghiệp tăng cao và
khai thác tài nguyên thiên nhiên cũng được đẩy mạnh. Điều đó đồng nghĩa với việc khá
nhiều tài nguyên sẽ cạn kiệt, dẫn đến giá thành tăng cao, điển hình là xăng, dầu . . . Xăng,
dầu là nguồn tài nguyên có hạn, nên càng về sau, giá thành xăng lại càng tăng. Ngoài ra,
đốt nhiên liệu xăng dầu sẽ thải ra môi trường lượng lớn khí CO2 gây ô nhiễm môi trường
và phá hoại tầng Ozon. Do đó cần phải có nguồn năng lượng tái tạo để thay thế. Trên trái
đất tồn tại khá nhiều nguồn năng lượng sạch vô hạn, gần gũi và rất cần thiết cho con người
nhất là năng lượng điện. Năng lượng điện được sản xuất trong các máy phát điện, và truyền
qua dây đồng tuỳ vào khoảng cách dài hay ngắn để sử dụng điện được triệt để. Trong thế
giới công nghệ cao ngày nay, năng lượng điện được sử dụng ở khắp mọi nơi xung quanh
chúng ta. Bên cạnh đó, năng lượng điện được coi là nguồn năng lượng quan trọng nhất của
ngành công nghiệp, các toà nhà thương mại, các tổ chức và hộ gia đình được cung cấp bởi
trạm phát điện. Trong trường hợp trạm đốt nhiên liệu hóa thạch, nguồn năng lượng như
than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên được sử dụng để đun sôi nước. Khi áp suất cao, nước được
đun sôi thành hơi nước cao áp hơi nước cao áp này làm tua bin quay nhờ đó các máy phát
điện có thể phát ra được năng lượng điện. Năng lượng điện là nguồn năng lương tốt để thay
thế dần cho các loại năng lượng hiện nay.
(a)
(b)
Hình 1.1: Môi trường bị ô nhiễm
(a) khí thải từ nhà máy và (b) khí thải từ các phương tiện [1]
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Ngày nay khoa học phát triển vượt bậc chúng ta sẽ không có gì ngạc nhiên khi hệ
thống xe điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới. Hầu hết các nhà sản xuất tập
trung phát triển hệ thống xe điện phục vụ nhu cầu “đi lại”, và là những phương tiện phổ
biến như: xe hơi điện, xe moto điện, xe đạp điện ,….
(a)
(b)
Hình 1.2: Các phương tiện sử dụng điện (a) Xe đạp điện và (b) xe hơi điện.[2]
Tình hình trong nước thì xe đạp điện ngày càng phổ biến rộng rãi, phát triển mạnh
mẽ trong những năm gần đây, nhu cầu đi lại sử dụng phương tiện này ngày càng tăng lên,
nó phù hợp với tất cả mọi lứa tuổi và tiện lợi hơn rất nhiều so vơi phương tiện khác.
1.2 MỤC TIÊU
Đồ án của chúng em sẽ tìm hiểu về động cơ xe đạp điện và các thông số của động
cơ, tìm ra nguyên lý hoạt động để tạo bộ điều khiển cho phù hợp. Nhiệm vụ của đồ án thực
hiện các yêu cầu sau:
Tìm hiểu động cơ BLDC (Brushless DC Motor).
Tìm phương pháp điều khiển động cơ BLDC.
Thiết kế và thi công mạch điều khiển và bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc điều khiển xe
đạp điện.
Xe hoạt động ổn định với tốc độ xe đạp đạt 20km/h.
Tải trọng cho phép xe hoạt động ổn định trong khoảng từ 0 – 75kg.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu cách thức hoạt động và phương pháp điều khiển của động cơ một chiều
không chổi than BLDC.
Chọn giải pháp phù hợp để điều khiển động cơ BLDC.
Tìm hiểu mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc.
Thiết kế phần cứng dựa trên sơ đồ khối hệ thống kết hợp với các Module.
Sử dụng dòng vi điều khiển DSPIC30F4011 để nhận tín hiệu từ cảm biến rồi thiết
lập tín hiệu điều khiển xe.
Thiết kế phần mềm, trình bày lưu đồ giải thuật để giải quyết yêu cầu của đề tài.
Đánh giá kết quả thực hiện.
1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài tập trung nghiên cứu xe đạp điện Songtain Sweet, có động cơ BLDC hình
thang.
Xe không hiển thị được tốc độ và mức pin của bình ắc-quy.
Tải trọng cho phép xe hoạt động không quá 75kg.
1.5 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
1.5.1 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thực hiện mô hình.
- Dựa vào lý thuyết tiến hành xây dựng mô hình.
- So sánh kết quả dạng sóng ngõ ra với dạng sóng lý thuyết.
- Tham khảo tài liệu nguồn tài liệu từ internet và thư viện trường ĐH Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM.
1.5.2 Phương tiện nghiên cứu
- Máy tính cá nhân.
- Sử dụng các phần mềm hỗ trợ viết chương trình và vẽ mạch.
- Sử dụng các thiết bị và dụng cụ đo lường khác: đồng hồ VOM, máy dao động ký.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.6 BỐ CỤC
Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn dề dẫn nhập lý do chon đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Tìm hiểu về động cơ BLDC.
Tìm hiểu về cảm biến Hall.
Tìm hiểu các cách điều khiển động cơ BLDC.
Phương pháp áp dụng triển khai điều khiển động cơ BLDC.
Trình bày lý thuyết mạch nghịch lưu.
Giới thiệu linh kiện sử dụng.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Sơ đồ khối của hệ thống.
Thiết kế các khối trong hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống
Thi công hệ thống.
Lập trình hệ thống.
Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá.
Kết quả.
Nhận xét.
Đánh giá.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Kết luận.
Hướng phát triển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Contents
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 5
2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC ...................................................................... 5
2.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ BLDC........................................................................ 8
2.2.1 Stator ...................................................................................................................... 8
2.2.2 Rotor..................................................................................................................... 10
2.2.3 Cảm biến Hall (Hall sensor) ............................................................................... 11
2.2.4 Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) ................................. 12
2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BLDC .......................................................... 13
2.4 CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC ........................... 14
2.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) ............................ 14
2.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)..................................... 15
2.5 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC ................................. 16
2.5.1 Mô-men điện từ ................................................................................................... 16
2.5.2 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC ...................................... 16
2.5.3 Sức phản điện động ............................................................................................. 17
2.6 MÔ HÌNH TOÁN VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC .... 17
2.6.1 Mô hình toán ....................................................................................................... 17
2.6.2 Mô-men điện từ ................................................................................................... 18
2.6.3 Phương trình động học của động cơ BLDC ..................................................... 19
2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC ................................. 20
2.7.1 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC 3 pha ............................................... 20
2.7.2 Điều khiển bằng phương pháp PWM ............................................................... 23
2.8 LÝ THUYẾT BỘ NGHỊCH LƯU ........................................................................ 23
2.8.1 Bộ nghịch lưu 1 pha ............................................................................................ 23
a) Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................................ 23
b) Nguyên tắc hoạt động .............................................................................................. 24
2.8.2 Sơ đồ đẩy kéo bộ nghịch lưu .............................................................................. 25
a) Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................................ 25
b) Nguyên lý hoạt động ................................................................................................ 25
2.8.3 Bộ nghịch lưu 3 pha ............................................................................................ 26
2.9 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ................................................................................. 28
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
1
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.9.1 IC ổn áp LM2576 ................................................................................................ 28
2.9.2 IC cách ly điện ..................................................................................................... 28
2.9.3 IC ổn áp LM317 .................................................................................................. 30
2.9.4 IC driver .............................................................................................................. 30
2.9.5 Mosfet ................................................................................................................... 32
2.9.6 Màn hình LCD16x02 .......................................................................................... 33
2.9.7 Vi điều khiền ........................................................................................................ 35
a) Ngắt của DSPIC30F4011......................................................................................... 37
b) Cổng vào ra của DSPIC30F4011 ............................................................................ 38
c) Các bộ định thời ....................................................................................................... 38
d) Module chuyển đổi tương tự - số ADC 10bit ........................................................ 39
e) Module PWM điều khiển động cơ .......................................................................... 41
2.9.8 Module sạc ắc-quy............................................................................................... 42
2.9.9 ẮC-QUY(ACCU) ................................................................................................ 42
a) Khái niệm ACCU ..................................................................................................... 42
b) Phân loại và cấu tạo Ắc-quy ................................................................................... 43
2.9.10 Giới thiệu tay ga ................................................................................................ 44
2.9.11 Tấm pin năng lượng mặt trời .......................................................................... 44
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
2
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1: Cấu tạo của 2 loại động cơ một chiều .............................................................. 5
(a) Động cơ BLDC và (b) Động cơ DC.[3] ....................................................................... 5
Hình 2.2: Động cơ một chiều (a) Động cơ DC và (b) Động cơ BLDC. .......................... 6
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ. ............................................................... 8
Hình 2.4: Stator của động cơ BLDC.[4] ........................................................................... 9
Hình 2.6: Các loại Rotor động cơ BLDC. ...................................................................... 10
Hình 2.7: Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang. ............................................................ 11
Hình 2.8: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây Stator. ....................................................... 13
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ BLDC. .............................................. 14
Hình 2.10: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường Stator. ....................... 14
Hình 2.11: Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC. ......................................... 16
Hình 2.12: Đặc tính của động cơ BLDC (a) đặc tính làm việc và (b) đặc tính cơ. ..... 16
Hình 2.14: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha. ............... 21
Hình 2.15: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dậy tương ứng với cảm biến Hall. ............ 22
Hình 2.16: Giản đồ xung điều khiển PWM kênh trên. ................................................. 23
Hình 2.17: Sơ đồ mạch nguyên lý nghịch lưu cầu một pha.......................................... 23
Hình 2.18: Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu 1 pha. .......................................... 24
Hình 2.19: Sơ đồ đẩy kéo mạch nghịch lưu. .................................................................. 25
Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 3 pha. .................................................... 26
Hình 2.21: Đồ thị dạng sóng điều khiển. ........................................................................ 26
Hình 2.22: Sơ đồ điều khiển. ........................................................................................... 27
Hình 2.23: IC LM2576. .................................................................................................... 28
Hình 2.24: IC HCPL 2631 (a) Thứ tự chân và (b) cấu tạo. .......................................... 29
Hình 2.26: IC IR2102 (a) Thứ tự chân và (b) cấu tạo. .................................................. 31
Hình 2.27: RFP70N06. ..................................................................................................... 32
Hình 2.29: Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011.[9] ............................. 37
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC
Động cơ một chiều thông thường (Động cơ DC) có hiệu suất cao và các đặc tính của
chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo
của chúng cần có cổ góp và chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các
môi trường rung chấn, dễ cháy nổ, người sử dụng phải bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên do
các thiết bị dễ bị bào mòn. Để tránh những nhược điểm đó, động cơ một chiều không chổi
than ra đời khắc phục những nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. Động cơ
này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi
là Brushless DC Motor (động cơ BLDC). Về cơ bản động cơ BLDC thực chất là động cơ
một chiều có hệ thống đảo chiều dòng điện bán dẫn, sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí Rotor
để quyết định việc chuyển mạch. Thông thường, việc xác định vị trí của Rotor có thể thực
hiện bằng cảm biến Hall hoặc encoder. Động cơ BLDC hiện nay đang rất được quan tâm
trong các ứng dụng điều chỉnh tốc độ, điều khiển vị trí chính xác.
(a) Động cơ BLDC
1. Trục Rotor
2. Nam châm vĩnh cửu
3. Cuộn dây
4. Ổ bi
(b) Động cơ DC
1. Trục Rotor
2. Nam châm vĩnh cửu
3. Nam châm
4. Cuộn dây
Hình 2.1: Cấu tạo của 2 loại động cơ một chiều
(a) Động cơ BLDC và (b) Động cơ DC.[3]
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
So sánh động cơ BLDC với động cơ DC:
N
N
SW1
Chổi góp
SW3
Ngõ ra 1
Ngõ ra 2
Cổ góp
SW2
S
S
S
SW4
N
(a) Động cơ DC
(b) Động cơ BLDC
Hình 2.2: Động cơ một chiều (a) Động cơ DC và (b) Động cơ BLDC.
Động cơ DC và động cơ BLDC có những khác biệt khá lớn. Bảng 2.1 so sánh ưu
nhược điểm của hai loại động cơ này. Sẽ giúp cho người sử dụng thấy rõ sự khác biệt về
hai loại động cơ này.
Bảng 2.1: So sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC. [3]
Các thông
số so sánh
Động cơ BLDC
Động cơ DC
Đảo chiều bằng Đảo chiều dòng
Bộ chuyển
điện tử dựa trên kiểu cơ khí bằng
mạch
thông tin từ cảm chổi than và cổ
biến vị trí Rotor
Hiệu suất
Cao
góp
Trung bình
Rất ít hoặc
Bảo trì
không cần bảo
Định kỳ
trì
Đáp ứng
động
Nhanh
Chậm
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
Ưu/Nhược điểm của BLDC so với
Động cơ DC
Động cơ BLDC sử dụng chuyển
mạch điện tử thay thế cho chuyển
mạch cơ
Điện áp rơi trên các linh kiện điện tử
nhỏ hơn điện áp rơi trên chổi than
Không phải bảo trì chổi than, cổ
góp
Mô-men quán tính của Rotor động
cơ BLDC thường nhỏ hơn so với mô-
6
