Mô phỏng và điều khiển động cơ một chiều không chổi than

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---W Û X---

NGUYỄN TRỌNG DUY

MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2006


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---W Û X---

NGUYỄN TRỌNG DUY

MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2006

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Hữu Phúc

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2006.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2006
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Nguyễn Trọng Duy

Phái:

Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18 - 12 - 1981

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành:

MSHV: 01805440

Thiết bị, mạng và nhà máy điện

I- TÊN ĐỀ TÀI:
MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Mô phỏng và điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than và tiến hành thực
nghiệm trên nền vi xử lý DSP TMS320LF2407A.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Nguyễn Hữu Phúc
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

tháng

năm

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
---W Û X--Luận văn thạc sĩ là đề tài hồn chỉnh cuối cùng tơi đang thực hiện trước
khi hồn thành chương trình thạc sĩ. Kết quả này có được bằng chính nỗ
lực học tập, nghiên cứu khơng ngừng của bản thân trong suốt thời gian
học tập tại trường dưới sự giúp đỡ, hướng dẫn và giảng dạy tận tình của
q Thầy Cơ và các anh chị đồng nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Tp.
Hồ Chí Minh.
Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử,
Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và
truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời
gian học tập tại Trường vừa qua.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các anh chị đồng nghiệp và
quý Thầy Cô bộ môn Thiết Bị Điện, những người đã luôn hỗ trợ và tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận văn thạc sĩ này.
Lòng cảm ơn chân thành xin gởi đến Thầy TS. Nguyễn Hữu Phúc, người
đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn này.
Xin kính gửi đến cha mẹ và những người thân lòng biết ơn vơ hạn vì sự
động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt để con có thể có được kết
quả hôm nay.

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Trần Công Binh cùng các
anh chị đồng nghiệp và bạn bè, những người đã luôn quan tâm, động viên
và giúp đỡ rất nhiều để tơi hồn thành luận văn này.
Một lần nữa xin gửi đến Thầy Cô, gia đình và bạn bè lịng biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất.

Thành Phố Hồ Chí Minh, 15 / 11 / 2006
Nguyễn Trọng Duy


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
---W Û X--Vấn đề truyền động sử dụng động cơ một chiều không chổi than được liệt
kê vào dạng truyền động điện chất lượng cao đang được sử dụng khá phổ
biến trong nhiều lãnh vực dân dụng cũng như cơng nghiệp trong và ngồi
nước. Đề tài này được thực hiện với mong muốn được tìm hiểu về cấu
tạo, nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển đối với động cơ một
chiều không chổi than này và phần nào tiếp cận được với các vấn đề thực
tế hiện nay.
Mục đích đề tài là thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho động cơ một chiều
không chổi than trên nền DSP TMS320LF2407A. Tạo tiền đề cho việc xây
dựng các mơ hình thử nghiệm cho các hệ thống điều khiển động cơ chất
lượng cao. Đồng thời cũng là cơ sở để chế tạo các bộ điều khiển tốc độ
động cơ (bộ biến tần) ứng dụng trong các hệ thống truyền động điện chính
xác. Lĩnh vực đang thu hút rất nhiều các nhà khoa học trong và ngoài
nước quan tâm đến lĩnh vực điều khiển ứng dụng trong công nghiệp. Và
đây cũng là lĩnh vực đang rất cần được nghiên cứu và triển khai ứng dụng
trong q trình cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa ở nước ta hiện nay.
Luận văn được thể hiện qua các nội dung chính là tìm hiểu cấu tạo,
nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển của động cơ một chiều
không chổi than; mô phỏng và tiến hành thực nghiệm hệ thống điều khiển

tốc độ động cơ một chiều không chổi than trên nền bộ xử lý tín hiệu số
DSP TMS320LF2407A. Hệ thống điều khiển sử dụng DSP họ TMS320 có
khá nhiều ưu điểm. Tốc độ xử lý nhanh của họ TMS320 cho phép thực
hiện các kỹ thuật điều khiển khá phức tạp góp phần xây dựng hệ thống
điều khiển với độ chính xác cao.
Nội dung luận văn được trình bày trong 6 chương:
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Mơ hình và ngun tắc hoạt động của động cơ một chiều
không chổi than
Chương 3: Điều khiển động cơ bldc sử dụng cảm biến hall
Chương 4: Điều khiển động cơ bldc không sử dụng cảm biến
Chương 5: Tiến hành thực nghiệm
Chương 6: Kết quả và hướng phát triển.


MỤC LỤC
---W Û X--NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Trang
03

LỜI CẢM ƠN

04

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

05

CHƯƠNG 1

07

GIỚI THIỆU

1.1. GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

08

1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

11

1.3. CẢM BIẾN HALL

15

1.4. SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC

17

CHƯƠNG 2

MƠ HÌNH VÀ NGUN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA
ĐỘNG CƠ BLDC

20

2.1. MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ BLDC

08

2.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC

24

CHƯƠNG 3

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC SỬ DỤNG CẢM
BIẾN HALL

29

3.1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC THEO TÍN HIỆN NHẬN ĐƯỢC
TỪ CẢM BIẾN HALL

30

3.2. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG CÁCH ĐIỀU
CHỈNH ĐIỆN ÁP NGÕ VÀO

41

3.3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PWM

44

CHƯƠNG 4

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG SỬ DỤNG

CẢM BIẾN

58


4.1. VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG SỬ DỤNG
CẢM BIẾN

59

4.2. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN

63

4.3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC KHÔNG SỬ
DỤNG CẢM BIẾN CẢI TIẾN

68

CHƯƠNG 5

TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

84

5.1. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC SỬ DỤNG
KỸ THUẬT PWM

85

5.2. CHUẨN HĨA CÁC CƠNG THỨC

95

5.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC DÙNG DSP

100

5.4. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC VÀ THU THẬP
DỮ LIỆU

106

5.5. KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC DÙNG DSP

114

CHƯƠNG 6

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

118

6.1. ĐÁNH GIÁ CHÂT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ BLDC

119

6.2. NHẬN XÉT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC

119

6.3. MỘT VÀI KẾT LUẬN

120

6.4. HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI

121

TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG


-7-

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU
1.1.

GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

1.2.

CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ BLDC

1.3.

CẢM BIẾN HALL

1.4.

SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC

Giới Thiệu


-8-

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
1.1.1 SƠ LƯC VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
Máy điện một chiều không chổi than (BLDC) ngày càng được sử dụng phổ biến vì
những đặc điểm ưu việt như: hiệu suất cao, tuổi thọ cao, hoạt động không gây tiếng
ồn, khoảng hoạt động tương đối rộng... Máy điện BLDC được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp chẳng hạn như trong các dụng cụ công nghiệp, máy móc tự động, cánh
tay rôbot, trong lãnh vực hàng không, trong y khoa và trong nhiều các trang thiết bị
công nghiệp khác. Trong bản thân tên gọi của máy điện BLDC cũng đã ngầm định
rằng máy điện BLDC là loại máy điện không sử dụng chổi than để chuyển mạch
bằng cơ khí như động cơ một chiều truyền thống; thay vào đó, chúng sử dụng
nguyên lý chuyển mạch bằng điện tử. Máy điện BLDC có nhiều ưu điểm so với máy
điện một chiều và máy điện không đồng bộ. Một trong những ưu điểm đó là:
• Đặc tính mômen/tốc độ tốt
• Đáp ứng động nhanh
• Hiệu suất cao
• Tuổi thọ lâu dài

• Hoạt động không gây tiếng ồn
• Khoảng hoạt động của tốc độ tương đối rộng
Thêm vào đó, tỷ số mômen/kích thước của động cơ khá cao, điều này cho phép máy
điện BLDC được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng có yêu cầu khắc khe đòi
hỏi thể tích choáng chổ nhỏ và khối lượng của hệ thống cũng không được quá lớn.

Giới Thiệu


-9-

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.1.2 LỊCH SỬû PHÁT TRIỂN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI
THAN
Động cơ BLDC xuất hiện lần đầu tiên năm 1962 khi T.G. Wilson và P.H. Trickey
thực hiện đề tài “Máy điện một chiều theo quy trình chuyển mạch”. Sau đó chúng
được phát triển để đưa vào sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi momen
tương đối lớn và đáp ứng nhanh như ổ đóa cứng máy tính, robot, hệ thống định vị và
trong hệ thống truyền động trên máy bay nơi không thể nào sử dụng động cơ có chổi
than thông thường được. Tuy nhiên, công nghệ trước đây hầu như không thể chế tạo
động cơ có công suất lớn hơn 5hp. Mãi đến đầu nhừng năm 1980, với sự ra đời của
vật liệu nam châm vónh cửu có mật độ từ thông lớn và sự xuất hiện của các khoá bán
dẫn công suất lớn thì công nghiệp sản xuất động cơ BLDC công suất trung bình và
lớn phát triển rầm rộ. Động cơ BLDC công suất tương đối lớn đầu tiên 50hp hoặc lớn
hơn được thiết kế bởi Robert E. Lordo tại POWERTEC Industrial Corporation vào
cuối những năm 1980. Ngày này, hầu hết tất cả các nhà sản xuất lớn nhỏ đều có khả
năng sản xuất các động cơ BLDC có công suất tối thiểu vài ngựa và POWERTEC
với dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh đã có thể sản xuất ra các động cơ BLDC với
công suất từ 1/2 đến 300 hp (động cơ BLDC công suất 500 Hp đã được sản xuất tại

POWERTEC vào tháng 10 năm 1992).
Động cơ BLDC có nhiều tác động mạnh mẽ đối với các lãnh vực công nghiệp chủ
yếu như công nghiệp sản xuất đồ nhựa và sợi nhân tạo và gần đây nhất là trong các
công ty khai thác khoáng sản với các bộ điều khiển và động cơ sử dụng vào khoảng
300 hp chủ yếu hoạt động trong các dây chuyền, các băng tải trong hầm khai thác
khoáng sản.

Giới Thiệu


- 10 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nguyên tắc hoạt động khá giống với nguyên lý hoạt động của tất cả các động cơ một
chiều nhưng BLDC có cấu trúc ngược lại với phần cảm (là nam châm vónh cửu) được
đặt trên trục của động cơ, phần nằm trong, và phần ứng của động cơ nằm bên ngoài.
Phần cảm là phần quay và phần ứng là phần đứng yên. Một cảm biến vị trí được đặt
trên phẫn tónh của động cơ để xác định vị trí của phần cảm chuyển động. Bộ điều
khiển “xác định” thông tin vị trí của phần cảm đang quay và xác định cuộn dây phần
ứng nào đang có dòng điện chạy vào và cuộn dây nào có dòng điện chạy ra. Bộ điều
khiển điều khiển các khoá bán dẫn công suất để cung cấp kịp thời công suất sao cho
phù hợp với chiều quay mong đợi của động cơ BLDC. Theo phương pháp này động
cơ BLDC và bộ điều khiển bằng điện tử đóng vai trò giống như một động cơ một
chiều có chổi than cổ điển. Bộ điều khiển được sử dụng đối với động cơ BLDC cũng
giống hệt như bộ điều khiển sử dụng trong điều khiển động cơ xoay chiều với
phương pháp điều khiển bằng cách thay đổi tần số hoặc phương pháp điều khiển
vector động cơ xoay chiều bởi vì các kiểu điều khiển trên đây đều dựa trên phương
pháp điều chế độ rộng xung PWM điện áp điều khiển tuỳ vào từng loại động cơ
tương ứng.

1.1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ BLDC
Điện áp vào động cơ BLDC sẽ quyết định tốc độ hoạt động của động cơ và dòng
điện trong động cơ quyết định mômen sinh ra của động cơ. Các mối liên hện này
gần như tuyến tính và gần giống với hệ thống điều khiển sử dụng động cơ một chiều
cổ điển. Ứng dụng của động cơ chiếm phần lớn thị phần do có nhiều ưu điểm giống
như động cơ một chiều có chổi than. Hệ thống điều khiển dùng động cơ BLDC có độ
chính xác về tốc độ rất cao, thật vậy với các hệ thống đang sử dụng rộng rãi hiện

Giới Thiệu


- 11 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

nay, sai số tốc độ cơ thể gần 0% nhờ khâu điều khiển vòng kín điều chỉnh sai số về
vị trí. Tỉ số mômen so với mômen quán tính rất cao, có thể cho đáp ứng động rất tốt
khi tăng tốc hoặc giảm tốc. Hiệu suất của động cơ nằm trong khoảng 90 đến 96 %
và hiệu suất của bộ điều khiển khoảng 97% cho thấy hiệu suất tổng cao hơn so với
các hệ thống điều khiển sử dụng động cơ một chiều có chổi than.

1.2 CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ BLDC
Động cơ BLDC là một dạng động cơ đồng bộ. Điều này có nghóa là từ trường phía
stator và từ trường phía rotor quay ở cùng tần số. Vì thế đối với động cơ BLDC
không có khái niệm độ trượt s như động cơ không đồng bộ. Động cơ BLDC có nhiều
loại: một pha, hai pha, ba pha. Trong các loại trên thì động cơ BLDC ba pha được sử
dụng phổ biến và rộng rãi nhất. Luận văn này chủ yếu trình bày những vấn đề liên
quan đến động cơ BLDC ba pha.
1.2.1 STATOR
Stator của động cơ BLDC được ghép từ các lá thép mỏng cách điện, bên trong các

rãnh được quấn bởi các dây quấn bằng đồng như hình 3. Thông thường, phần stator
của động cơ BLDC giống với stator của động cơ không đồng bộ; tuy nhiên cách
quấn dây của động cơ BLDC được thực hiện hơi khác so vơi cách quấn dây của động
cơ không đồng bộ. Hầu như tất cả các động cơ BLDC đều có 3 cuộn dây được mắc
kiểu hình sao. Từng cuộn dây được phân bố trên stator tạo nên một số chẳn cực từ
của động cơ BLDC.
Có hai kiểu quấn dây phía stato khác nhau: kiểu quấn cho sức điện động dạng hình
thang và kiểu quấn cho sức điện động dạng hình sin. Dạng sóng có được của sức

Giới Thiệu


- 12 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

điện động này là do cách quấn dây phía stator quyết định. Dạng sức điện động hình
thang và hình sin của động cơ được thể hiện như trên hình 1 và 2. Ngoài dạng sóng
của sức điện động là dạng sóng của dòng điện cũng có dạng hình thang hay hình sin
tùy thuộc vào loại động cơ. Thường thì moment sinh ra bởi động cơ có sức điện động
dạng hình sin thì bằng phẳng, ít dao động hơn động cơ so với động cơ có sức điện
động hình thang. Tuy nhiên, để có được dạng sóng sức điện động dạng sin đòi hỏi
nhiều chi phí hơn
Tùy thuộc vào công suất của hệ thống, cấp điện áp của động cơ cần được chọn sao
cho hợp lý tương ứng với cấp công suất đó. Các động cơ có điện áp định mức 48 volt
hoặc nhỏ hơn được sử dụng nhiều trong lãnh vực tự động, robot, cánh tay truyền
động, các bộ phận thực thi .v.v… Động cơ có điện áp định mức 100 volt hoặc lớn hơn
được sử dụng trong những ứng dụng máy móc, trang thiếât bị tự động và những ứng
dụng công nghiệp .

Hình 1. 1 Trapezoidal Back Emf

Giới Thiệu


- 13 -

Hình 1. 2 Sinusoidal Back Emf

Hình 1. 3 Stator của động cơ BLDC

Giới Thiệu

LUẬN VĂN THẠC SĨ


- 14 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.2.2 ROTOR
Rotor được làm bằng nam châm vónh cữu và số đôi cực thay đổi từ 2 tới 8 đôi cực,
với cực Nam và cực Bắc được đặt xen kẽ nhau.
Tùy vào mật độ từ thông mong muốn, người ta có thể lựa chọn các vật liệu từ thích
hợp để chế tạo rotor. Theo truyền thống, vật liệu từ Ferrite thường được sử dụng
trong chế tạo nam châm vónh cữu. Vơí kỹ thuật ngày nay ngày càng phát triển nam
châm từ hợp kim đất hiếm được chế tạo và sử dụng rất phổ biến. Nam châm làm từ
Ferrite có giá thành tương đối rẽ nhưng có nhược điểm là mật độ từ thông trên một
đơn vị thể tích tương đối thấp. Ngược lại, những nam châm chế tạo từ hợp kim có
mật độ từ thông trêân đơn vị thể tích lớn và cho phép thu nhỏ kích thước rotor nhỏ

gọn hơn so với những nam châm làm từ Ferrite. Vì thế, những nam châm làm từ hợp
kim cải thiện đáng kể tỷ số kích thước trên khối lượng và động cơ làm từ nam châm
hợp kim sẽ cho mômen lớn hơn so với những động cơ làm từ nam châm Ferrite.
Neodymium (Nd), Samarium Cobalt (SmCo) và hợp kim Neodymium, Ferrite và
Boron (NdFeB) là những ví dụ cho nam châm hợp kim đất hiếm. Nhiều nghiên cứu
đang được thực hiện để thu nhỏ hơn nữa kích cở của rotor hiện nay.
Trên hình 4 là mặt cắt ngang của nhiều kiểu rotor với cách bố trí nam châm khác
nhau.

Giới Thiệu


- 15 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 4 Mặt cắt ngang của rotor

1.3 CẢM BIẾN HALL
Hiệu ứng Hall
Nếu có một dòng điện chạy trong dây dẫn được đặt trong từ trường, từ trường tác
động một lực ngang vơi phương chuyển động của các hạt mang điện, lực này có xu
hướng đẩy các hạt mang điện về một phía của dây dẫn. Hiệu ứng này thể hiện rõ rệt
đối vơi vật dẫn điện có dạng phẳng và mỏng. Trên hai phía của vật dẫn ta đo được
điện áp chênh lệch. Sự hiện diện của điện áp này gọi là hiệu ứng Hall do E.H.Hall
phát minh năm 1879.
Không giống như động cơ DC chổi than, sự chuyển mạch của động cơ BLDC được
điều khiển bằng điện tử. Để có thể làm cho rotor của động cơ BLDC quay, các cuộn
dây bên phía stator cần được điều khiển cung cấp điện theo một trình tự nhất định.
Điều quan trọng là phải biết được vị trí của rotor để có thể xác định được pha nào

cần cấp điện tiếp theo trong quy trình đóng cắt này. Vị trí của rotor được xác định
nhờ cảm biến Hall gắn cố định trên stator.

Giới Thiệu


- 16 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khi các cực nam châm của rotor chuyển động ngang qua cảm biến Hall, chúng sẽ
gây ra tín hiệu mức thấp hoặc mức cao tương ứng với vị trí cực bắc hoặc nam đang
chuyển động ngang qua cảm biến Hall. Dựa trên sự kết hợp của các tín hiệu từ ba
cảm biến Hall trình tự chuyển mạch chính xác của các pha động cơ BLDC có thể
được xác định.

Hình 1. 5 Mặt cắt theo trục động cơ BLDC
Trên hình 5 là mặt cắt theo trục của một động cơ BLDC với rotor là nam châm vónh
cửu có cực nam và cực bắc xen kẻ nhau. Cảm biến Hall được gắn chặt trên phần tónh
(stator) của động cơ. Việc gắn cảm biến Hall vào Stator là một quá trình phức tạp vì
bất cứ sự sai lệch nào trong khi đặt cảm biến Hall cũng có thể gây ra sự nhầm lẫn
trong việc xác định vị trí thực của rotor.
Trên cơ sở vị trí thực của cảm biến Hall, có hai dạng sóng ngõ ra của cảm biến Hall
thường gặp. Các cảm biến Hall có thể đặt lệch nhau 60 hoặc 1200. Trên cơ sở này,
nhà sản xuất xác định trình tự chuyển mạch tương ứng với động cơ sản xuất và việc
điều khiển phải dựa trên catologue do nhà sản xuất đưa ra.

Giới Thiệu

- 17 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.4 SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC
So với động cơ một chiều có chổi than và động cơ không đồng bộ, động cơ BLDC có
nhiều ưu điểm và ít nhược điểm hơn. Động cơ BLDC ít đòi hỏi phải bảo trì hơn, vì
thế chúng có tuổi thọ lâu bền hơn so với động cơ một chiều có chổi than truyền
thống. Động cơ BLDC cung cấp công suất lớn hơn so với động cơ một chiều và động
cơ không đồng bộ có cùng kích thước.
Vì rotor được làm bằng nam châm vónh cửu, nên mômen quán tính của rotor nhỏ hơn
so với các loại động cơ khác. Điều này cho phép đặc tính tăng tốc và giảm tốc của
hệ thống truyền động động cơ BLDC cải thiện rõ rệt. Đặc tính tuyến tính của tốc độ
và môment cho phép khả năng hiệu chỉnh tốc động dự đoán trước được. Một điều
hiển nhiên là đối với động cơ BLDC không cần phải thực hiện việc kiểm tra định kỳ
chổi than của động cơ, điều này vô cùng thuận lợi khi động cơ sử dụng động cơ ở
những khu vực có khả năng ra vào hạn chế và bảo trì rất khó khăn. Động cơ BLDC
vận hành êm ái, ít gây tiếng ồn hơn so với động cơ một chiều có chổi than truyền
thống, đồng thời hạn chế nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference) ở mức tối
thiểu. Hệ thống điều khiển BLDC sử dụng điện áp thấp rất lý tưởng khi vận hành
bằng pin hoặc acqui, sử dụng trong các trang thiết bị nhỏ gọn dễ di chuyển và trong
các ứng dụng y khoa. Bảng 1 trình bày bảng so sánh giữa động cơ BLDC và động cơ
một chiều truyền thống. Bảng 2 trình bày bảng so sánh động cơ BLDC với động cơ
không đồng bộ.

Giới Thiệu


- 18 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BẢNG 1: SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Đặc điểm
Chuyển
mạch
Bảo trì
Tuổi thọ
Đặc tính
tốc
độ/mômen
Hiệu suất
Công suất
sinh ra / kích
cở động cơ

Mômen
quán
tính
của rotor
Khoảng tốc
độ hoạt động
Nhiễu
sinh

phát

Chi phí sản
xuất
Điều khiển

Đòi hỏi về
bộ
điều
khiển

Động cơ BLDC
Chuyển mạch bằng điện tử dựa vào vị
trí đọc được từ cảm biến Hall.
Ít đòi hỏi bảo trì vì không có chổi
than.
Longer.
Tuyến tính, có thể vận hành ở mọi tốc
độ với mômen định mức.

Động cơ một chiều
Chuyển mạch nhờ chổi than
Đòi hỏi phải bảo trì theo định kỳ.

Shorter.
Gần như tuyến tính – Ở tốc độ cao,
masat trên chổi than tăng, vì thế
làm giảm mômen có ích của động
cơ
Rất cao - không bị rơi áp ở chổi than. Tương đối cao.
Cao – Kích cở thu gọn đặc tính tản Trung bình / thấp – Nhiệt sinh ra do
nhiện tốt. Vì động cơ BLDC có dây phần ứng trong khe hở không khí, vì
quấn đặt trên stator, và stator nối với thế tăng nhiệt độ trong khe hở
vỏ máy nên việc tản nhiệt tốt hơn.
không khí và hạn chế công suất ngõ
ra / trên kích cở.

Nhỏ, bởi vì rotor được làm từ nam
Mômen quán tính cao hơn làm hạn
châm vónh cửu. Điều này cải thiện
chế đặc tính động của hệ thống.
đáng kể đáp ứng động của hệ thống.
Cao hơn – Không bị giới hạn do tác Thấp hơn – Hạn chế do phải sử
động của chổi than / cổ góp cơ khí.
dụng chổi than / cổ góp cơ khí.
Nhỏ.
Hồ quang sinh ra trên chổi than sinh
ra nhiễu gây nhiễu điện từ trong các
thiết bị đặt gần bên.
Cao hơn – Vì sử dụng nam châm vónh Thấp.
cửu, giá thành sản phẩm cao hơn.
Phức tạp và khá đắt tiền.
Đơn giản và rẻ tiền.
Luôn đòi hỏi phải có bộ điều khiển Không cần bộ điều khiển đối với hệ
thì mới vận hành được động cơ thống vận ành ở tốc độ cố định; Cần
BLDC. Có thể sử dụng cho mục đích bộ điều khiển khi điều khiển thay
đổi tốc độ.
điều khiển thay đổi tốc độ.

Giới Thiệu


- 19 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

BẢNG 2: SO SÁNH ĐỘNG CƠ BLDC VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Đặc điểm
Đặc tính
tốc độ/mômen
Công suất sinh
ra / kích cở
động cơ
Mômen quán
tính của rotor
Dòng điện khi
khởi động

Động cơ BLDC
Tuyến tính, có thể vận hành
ở mọi tốc độ với tải định
mức.
Cao – Vì rotor làm từ nam
châm vónh cửu, có kích
thước nhỏ hơn ở cùng một
công suất cung cấp.
Nhỏ – Đặc tính động tốt
hơn.
Định mức – Không đòi hỏi
phải có bộ khởi động riêng.

Động cơ không đồng bộ
Phi tuyến – Momen thấp ở tốc
độ thấp.
Tương đối cao – Vì cả stator lẫn
rotor đều có dây quấn, nên công
suất ngõ ra theo kích thước thấp

hơn động cơ BLDC.
Lớn – Đặc tính động không tốt.
Xấp xỉ bảy lần dòng định mức –
Cần chọn kỹ càng mạch khởi
động kèm theo. Thường sử dụng
phương pháp khởi động sao-tam
giác.
Không cần bộ điều khiển khi
vận hành ở tốc độ cố định; cần
bộ điều khiển khi điều khiển
thay đổi tốc độ.

Đòi hỏi về bộ Luôn đòi hỏi phải có bộ điều
điều khiển
khiển thì mới vận hành được
động cơ BLDC. Có thể sử
dụng cho mục đích điều
khiển thay đổi tốc độ.
Độ trượt
Không có khái niệm trượt Rotor hoạt động ở tần số thấp
giữa tần số rotor và stator.
hơn tần số của stator và độ trượt
tăng khi tải trên động cơ tăng.

Giới Thiệu


- 20 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN TẮC
HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
2.1. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ BLDC
2.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC

Mô Hình Và Nguyên Tắc Hoạt Động Của Động Cơ Một Chiều Không Chổi Than


- 21 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ BLDC
Mô hình của động cơ một chiều không chổi than là tập hợp các phương trình vi phân
toán học và có được là nhờ giải quyết đồng thời nhiều phương trình vi phân, mỗi
phương trình vi phân phụ thuộc vào thông số đầu vào của động cơ và các hằng số mô
phỏng. Hằng số mô phỏng là các giá trị như độ tự cảm pha không thay đổi trong suốt
quá trình mô phỏng.
Mô hình động cơ

Hình 2. 1 Sơ đồ nguồn cung cấp và động cơ BLDC
Mô Hình Và Nguyên Tắc Hoạt Động Của Động Cơ Một Chiều Không Chổi Than


- 22 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Phương trình mạch điện của động cơ:

⎡Vao − Vno ⎤ ⎡ Rs
⎢V − V ⎥ = ⎢ 0
no ⎥
⎢
⎢ bo
⎢⎣Vco − Vno ⎥⎦ ⎢⎣ 0

0
Rs
0

0 ⎤ ⎡ia ⎤
0 ⎥⎥.⎢⎢ib ⎥⎥ +
Rs ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦

⎡ Laa
p ⎢⎢ Lba
⎢⎣ Lca

Lab
Lbb
Lcb

Lac ⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ea ⎤
Lbc ⎥⎥ ⎢⎢ib ⎥⎥ + ⎢⎢eb ⎥⎥
Lcc ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ec ⎥⎦

(2.1)

Rs: điện trở mỗi pha stator
ia, ib, ic: dòng điện các pha phía stator
p:

d
là toán tử đạo hàm theo thời gian
dt

ea, eb, ec sức điện động lần lượt của các pha a, b, c

⎡Van ⎤ ⎡ Rs
⎢V ⎥ = ⎢ 0
⎢ bn ⎥ ⎢
⎢⎣Vcn ⎥⎦ ⎢⎣ 0

0
Rs
0

0 ⎤ ⎡ia ⎤
0 ⎥⎥.⎢⎢ib ⎥⎥ +
Rs ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦

⎡ Laa
p ⎢⎢ Lba
⎢⎣ Lca

Lab
Lbb
Lcb

Lac ⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ea ⎤
Lbc ⎥⎥ ⎢⎢ib ⎥⎥ + ⎢⎢eb ⎥⎥
Lcc ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ec ⎥⎦

(2.2)

Với o là điểm trung trung tính của nguồn DC link, điện áp pha đặt lên động cơ là:
Van = Vao – Vno
Vbn = Vbo – Vno
Vcn = Vco – Vno
Với kiểu đấu dây hình sao của động cơ, n là điểm chung của ba cuộn dây đấu hình
sao, điện thế điểm trung tính:
Vno = [(Vao + Vbo + Vco)-(ea + eb + ec)] / 3
1
3

Vno: điện thế điểm trung tính: Vno = [Vao + Vbo + Vco ] −

∑ BEMF

s

(2.3)
1
∑ BEMFs
3

: tổng các sức điện động của các pha a,b, c.

Sức điện động cảm ứng dạng hình thang, giá trị đỉnh cho bởi công thức:
E p = B.L.v.N = N ( B.L.r.ω ) = N .φ .ω = λ.ω

(2.4)

Mô Hình Và Nguyên Tắc Hoạt Động Của Động Cơ Một Chiều Không Chổi Than


- 23 -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với:
B: mật độ vectơ cảm ứng từ
L: chiều dài của rotor
N: sốvòng dây trên mỗi pha
ω: vận tốc góc
Φ: từ thông trong mạch từ = BLr
λ: từ thông móc vòng trong mạch từ.
Nếu từ trờ của rotor không phụ thuộc vào góc quay bởi vì rotor cực ẩn và giả sử rằng
ba pha đối xứng, thì từ cảm và hổ cảm sẽ đối xứng trên tất cả các pha nên phương
trình (2) trở thành:

⎡1 0 0⎤ ⎡ia ⎤
⎡Van ⎤
⎢V ⎥ = R ⎢0 1 0⎥.⎢i ⎥ +
s⎢

⎥ ⎢ b⎥
⎢ bn ⎥
⎢⎣0 0 1⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦
⎢⎣Vcn ⎥⎦

⎡L
p ⎢⎢ M
⎢⎣ M

M ⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ea ⎤
M ⎥⎥ ⎢⎢ib ⎥⎥ + ⎢⎢eb ⎥⎥
L ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ec ⎥⎦

M
L
M

(2.5)

Neáu ba pha đối xứng thì: ia + ib + ic = 0, từ (4) ta có:

⎡Van ⎤
⎡1 0 0⎤ ⎡ia ⎤
⎢V ⎥ = R ⎢0 1 0⎥.⎢i ⎥ +
s⎢
⎢ bn ⎥
⎥ ⎢ b⎥
⎢⎣Vcn ⎥⎦
⎢⎣0 0 1⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦

⎡L − M
p ⎢⎢ 0
⎢⎣ 0

0
L−M
0

⎤ ⎡ia ⎤ ⎡ea ⎤
0 ⎥⎥ ⎢⎢ib ⎥⎥ + ⎢⎢eb ⎥⎥
L − M ⎥⎦ ⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣ec ⎥⎦
0

Momen điện từ của động cơ: Te = [ ea .ia +eb .ib + ec .ic] / ω (N.m)

(2.6)
(2.7)

Sức điện động cảm ứng được biểu diễn dưới dạng:
ea = fa(θ).λ.ω
eb = fb(θ).λ.ω

(2.8)

ec = fc(θ).λ.ω

Mô Hình Và Nguyên Tắc Hoạt Động Của Động Cơ Một Chiều Không Chổi Than