Tài liệu Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều không chổi than bldc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Tùng Lâm Sinh viên thực hiện : Trần Việt Thắng Lớp : CN-ĐK & TĐH 01 MSSV : 20146666 Hà nội, 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều không chổi than BLDC” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tùng Lâm. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực hiện Trần Việt Thắng MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................ i DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... iv LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1 ........................................................................................................................ 3 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) ..... 3 1.1. Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC) ................................. 3 1.2. Cấu tạo động cơ BLDC ........................................................................................ 7 1.2.1. Stator động cơ BLDC ..................................................................................... 8 1.2.2. Rotor động cơ BLDC ..................................................................................... 9 1.2.3. Cảm biến xác định vị trí Rotor ..................................................................... 10 1.2.4. Bộ chuyển mạch điện tử ............................................................................... 12 1.2.5. Sức phản điện động ...................................................................................... 13 1.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ BLDC ........................................................... 13 1.4. Các hệ truyền động dùng cho động cơ BLDC .................................................... 14 1.4.1. 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 1.5. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc động cơ BLDC ............................................... 16 Chương 2:..................................................................................................................... 19 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC ....................................................................................................................................... 19 2.1. Mô hình toán học ................................................................................................ 19 2.1.1. Phương trình sức điện động và mô men ....................................................... 21 2.1.2. Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than .............. 22 2.2. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC ............................................................ 23 2.2.1. Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall – phương pháp 6 bước ................................................................................................................................ 24 2.2.2. Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến ....................................... 28 2.2.3. Điều khiển bằng phương pháp PWM ........................................................... 28 Chương 3 ...................................................................................................................... 32 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC ................................................ 32 3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 32 3.1.1. Giới thiệu động cơ không chổi than 90ZWN24-120P ................................. 33 3.1.2. Giới thiệu vi điều khiển ATmega328P-AU ................................................. 34 3.1.3. Mosfet IRF-3205 .......................................................................................... 35 3.1.4. IC Driver IR 2110......................................................................................... 36 3.2. Thiết kế mạch điều khiển động cơ BLDC .......................................................... 36 3.2.1. Module xử lý trung tâm ................................................................................ 36 3.2.2. Hệ thống phản hồi dòng điện ....................................................................... 38 3.2.3. Thiết kế mạch driver, mạch lực động cơ BLDC .......................................... 39 3.2.4. Thiết kế mạch nguồn .................................................................................... 41 3.2.5. Một số cấu trúc khác .................................................................................... 42 3.3. Thuật toán điều khiển động cơ BLDC ................................................................ 44 3.3.1. Phần mềm Arduino IDE ............................................................................... 44 3.3.2.Thuật toán điều khiển động cơ BLDC .......................................................... 45 Chương 4 ...................................................................................................................... 47 ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC TRONG THỰC TIỄN................................ 47 4.1.Lĩnh vực hệ thống điều khiển chuyển động......................................................... 47 4.2. Ứng dụng trong đời sống hàng ngày .................................................................. 48 4.2.1. Ứng dụng trong giao thông vận tải............................................................... 48 4.2.2. Ứng dụng trong mô hình giải trí................................................................... 48 4.2.3.Ứng dụng làm các thiết bị dân dụng, thiết bị văn phòng. ............................. 49 4.2.3. Ứng dụng trong các hệ thống sưởi ấm và thông gió. ................................... 50 4.3. Ứng dụng động cơ BLDC trong công nghiệp .................................................... 50 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 52 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 61 Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1. Động cơ một chiều không chổi than BLDC.................................................... 3 Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC .................................................... 5 Hình 1.3. Sơ đồ khối động cơ BLDC .............................................................................. 7 Hình 1.4. Stator động cơ BLDC ...................................................................................... 8 Hình 1.5. Các dạng sức điện động động cơ BLDC ......................................................... 9 Hình 1.6. Các dạng rotor động cơ BLDC ..................................................................... 10 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khiển bằng trisistor quang ............... 12 Hình 1.8. Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây......................................................................... 14 Hình 1.9. Minh hoạ nguyên lý làm việc của động cơ BLDC truyền động một cực tính ....................................................................................................................................... 15 Hình 1. 10.Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator ............................ 15 Hình 1.11. Chuyển mạch 2 cực tính động cơ BLDC .................................................... 16 Hình 1.12. Đặc tính cơ của động cơ BLDC .................................................................. 17 Hình 1.13.Đặc tính làm việc động cơ BLDC ................................................................ 18 Hình 2.1. Mô hình mạch điện của động cơ BLDC……………………………………..20 Hình 2.2. Mô hình thu gọn động cơ BLDC .................................................................. 21 Hình 2.3. Sơ đồ một pha tương đương của động cơ BLDC ......................................... 22 Hình 2.4. Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động trong chế độ quay cùng chiều kim đồng hồ .......................................................................................................................... 25 Hình 2.5. Hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than....................................... 26 Hình 2.6. Quỹ đạo từ thông stator không tròn với 6 “bậc” trong 1 chu kỳ................... 28 Hình 2.7. Dạng đồ thị xung điều chế PWM .................................................................. 29 i Danh sách hình vẽ Hình 2.8. Nguyên lý điều khiển tải bằng xung PWM ................................................... 29 Hình 2.9. Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra...................................................... 30 Hình 2.10. Động cơ BLDC có điều tốc PWM .............................................................. 30 Hình 3.1. Động cơ không chổi than 90ZWN24-120P………………………………….33 Hình 3.2. Sơ đồ chân của chip ATmega 328P-AU ....................................................... 34 Hình 3.3. Mosfet IRF-3205 ........................................................................................... 35 Hình 3.4. Cấu tạo IC IR2110 ........................................................................................ 36 Hình 3.5. Cấu trúc module xử lí trung tâm ................................................................... 37 Hình 3.6. Hệ thống phản hồi dòng điện ........................................................................ 38 Hình 3.7. Mạch điều khiển van mosfet ......................................................................... 39 Hình 3.8. Mạch lực điều khiển động cơ BLDC ............................................................ 40 Hình 3.9. Sơ đồ đấu nối với động cơ ............................................................................ 41 Hình 3.10. Mạch nguồn 5V ........................................................................................... 41 Hình 3.11. Mạch nguồn 12V ......................................................................................... 41 Hình 3.12. Mạch nạp bootloader, nạp code và nhận tín hiệu từ master ........................ 42 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC ................................................ 43 Hình 3.14. Mạch điều khiển động cơ BLDC ................................................................ 43 Hình 3.15. Giao diện phần mềm arduino IDE .............................................................. 44 Hình 3.16. Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ BLDC ............................................. 45 Hình 4.1. Fly cam sử dụng động cơ BLDC………………….....………………………49 Hình 4.2. Động cơ BLDC sử dụng trong ổ đĩa ............................................................. 49 Hình 4.3. Động cơ BLDC dùng để di chuyển các kệ hàng ........................................... 51 ii Danh sách các bảng biểu DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường ....................... 6 Bảng 2.1. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ…………….26 Bảng 2.2. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ .............. 27 Bảng 3.1. Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P………………………………….33 Bảng 3. 2. Bảng phân vị trí, chức năng các chân vào ra trên vi điều khiển .................. 37 iii Danh sách các từ viết tắt DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT BLDC: Brushless Direct Current (một chiều không chổi than) ĐCMC: Động cơ một chiều PWM: Pulse With Modulation (Điều chế độ rộng xung) USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter (truyền thông nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ) ADC: Analog Digital Convert (chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) SPI: Serial Peripheral Interface (giao diện ngoại vi nối tiếp) I2C: Inter – Integrated Circuit (Bus giao tiếp giữa các IC với nhau iv Lời nói đầu LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp do việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Cùng với sự thay đổi của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công nghệ về tự động hoá cũng có những bước phát triển vượt bậc và trở thành ngành mũi nhọn của thế giới. Các hệ thống tự động hoá sử dụng động cơ điện truyền thống thường được thiết kế với những phần tử tương tự tương đối rẻ tiền. Điểm yếu của các hệ thống tuơng tự là chúng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và tuổi thọ của các thành phần. Một nhược điểm nữa của các hệ thống này là khó mở rộng và nâng cấp. Các cấu trúc điều khiển số khắc phục được tất cả những nhược điểm của các cấu trúc truyền động tương tự và bằng cách sử dụng các bộ xử lý có thể lập trình được việc nâng cấp trở nên rất dễ dàng do được thực hiện bằng phần mềm. Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép chúng ta thực hiện được những bài toán điều khiển số yêu cầu độ phân giải cao, tốc độ và khối lượng tính toán lớn chẳng hạn như các bài toán điều khiển thời gian thực. Ngoài ra, chúng còn cho phép tối thiểu hoá các thời gian trễ trong mạch vòng điều khiển. Những điều khiển hiệu suất cao này còn cho phép giảm được dao động momen, giảm đáng kể tổn thất công suất như tổn thất công suất do các điều hoà bậc cao gây ra trong rotor. Các dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hoá các phần tử công suất và các bộ lọc đầu vào. Những tiến bộ gần đây trong ngành Vật liệu từ (Nam châm vĩnh cửu), ngành điện tử công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện đại đã ảnh hưởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất hàng hoá, thiết bị, các bộ xử lý của thị trường cạnh tranh khắp thế giới. Là sinh viên ngành Cử nhân Điều khiển và Tự động hoá tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, em có cơ hội được tiếp xúc với động cơ một chiều không chổi than và nhận thấy những ứng dụng to lớn của động cơ này trong thực tiễn nên em quyết định thực hiện đề tài thực tập công nghiệp của mình để nghiên cứu điều khiển hệ truyền động động cơ này 1 Lời nói đầu dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tùng Lâm. Với sự giúp đỡ của nhà trường và viện Điện em đã được nhận đề tài tốt nghiệp là "Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều không chổi than BLDC". Với nội dung bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Chương 2: Mô hình toán học và phương pháp điều khiển động cơ BLDC Chương 3: Thiết kế điều khiển cho động cơ BLDC Chương 4: Ứng dụng của động cơ BLDC trong thực tiễn Do khả năng còn hạn chế nên chắc chắn đồ án của em không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Tùng Lâm, cùng các thầy cô trong Viện kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có thể hoàn thành được đồ án này. Em xin chân thành cám ơn. Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực hiện Trần Việt Thắng 2 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) 1.1. Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC) Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường 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, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường. Hình 1.1. Động cơ một chiều không chổi than BLDC Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ lâu đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vài chục W) như trong 3 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính các nhân, thiết bị văn phòng (máy in , scan...). Trong các ứng dụng đó mạch điều khiển được chế tạo đơn giản và có độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, công nghệ chế tạo vật liệu làm nam châm vĩnh cửu cũng có những bước tiến lớn, đã làm cho những ưu điểm của các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ BLDC so với động cơ một chiều có cổ gópchổi than hay động cơ dị bộ trở lên rõ rệt hơn, đặc biệt là ở các hệ thống truyền động di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ ắc qui, pin hay năng lƣợng mặt trời. Trong đó không thể không nhắc đến là các hệ truyền động xe kéo trên xe điện với công suất 3 từ vài chục đến 100kW. Trong công nghiệp, chúng còn được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW. BLDC là một loại của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó sử dụng các bộ cảm biến vị trí và một bộ chuyển đổi (inverter) để điều khiển dòng điện phần ứng. Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thường hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Khi nói về chức năng của động cơ điện, không được quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ một chiều thông thường, sự đổi chiều đƣợc thực hiện bởi cổ góp và chổi than. Ngược lại, ở động cơ một chiều không chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor, MOSFET, GTO, IGBT. Ưu điểm của động cơ BLDC: - Đặc tính tốc độ/mô men tuyến tính. - Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ. - Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao trên rotor. - Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí. 4 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC - Không gây nhiễu khi hoạt động. - Dải tốc độ rộng. - Mật độ công suất lớn. - Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác). - Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không. - Kết cấu gọn. - Có thể tăng giảm tốc độ trong thời gian ngắn. Nhược điểm của động cơ không chổi than BLDC: - Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giá thành cao. - Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC Động cơ BLDC có những ưu điểm vượt trội so với các động cơ một chiều thông thường. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng 1.1 so sánh hai loại động cơ này để thấy được sự giống và khác nhau giữa hai động cơ từ đó có thể khẳng định chắc chắn hơn những ưu điểm nổi trội hơn của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than. 5 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Ta có bảng so sánh 2 động cơ này: Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường Các thông số so sánh Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) Động cơ một chiều thông thường Ưu điểm động cơ BLDC so với động cơ một chiều thông thường Bộ chuyển mạch Đảo chiều bằng điện tử dựa trên thông tin cảm biến vị trí Rotor Đảo chiều dòng điện cơ khí bằng chổi than, cổ góp 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 Hiệu suất Cao Trung bình Bảo trì Rất ít hoặc không cần bảo trì Định kỳ Khả năng tản nhiệt Tỷ số công suất ra, kích cỡ Đặc tính tốc độ / momen Đáp ứng động Cao Trung bình, thấp Không phải bảo trì chổi than, cổ góp Với BLDC, chỉ có các cuộn dây phần ứng phát sinh nhiệt khi làm việc. Ngoài ra, các cuộn dây phần ứng được bố trí ở stator cho phép tản nhiệt tốt hơn qua vỏ động cơ. Với động cơ một chiều thông thường, tổn hao nhiệt xuất hiện ở cả dây quấn stator và rotor. Ngoài ra việc tỏa nhiệt của dây quấn rotor là khó khăn hơn Cao Trung bình thấp BLDC sử dụng các nam châm vĩnh cửu bằng vật liệu tiên tiến, không có tổn hao trên rotor. Bằng phẳng Tương đối bằng phẳng BLDC không có ma sát ở chổi than làm giảm moment Nhanh Chậm 6 Moment quán tính của rotor BLDC thường nhỏ hơn so với moment quán tính của rotor động cơ một chiều thông thường Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Dải điều chỉnh tốc độ Cao Thấp BLDC không bị giới hạn tốc độ về mặt cơ khí do chổi than và cổ góp Nhiễu điện Thấp Cao BLDC không có tia lửa điện khi vận hành do không có chổi than cổ góp, vì vậy ít gây nhiễu hơn Tuổi thọ Cao Thấp Do BLDC không có chổi than, cổ góp 1.2. Cấu tạo động cơ BLDC Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu cổ góp-chổi than để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm đƣợc điều đó phần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng, phần cảm trên rotor và phần ứng trên stator. Cũng chính vì cấu tạo không có cơ cấu cổ góp-chổi than nên động cơ BLDC mới có nhiều ưu điểm hơn so với các động co một chiều thông thường như ta đã kể ra ở phần trên. Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Hình 1.2. minh họa cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình. Hình 1.3. Sơ đồ khối động cơ BLDC 7 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Từ hình 1.3 ta thấy rằng động cơ một chiều không chổi than chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí rotor. Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử. Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản. 1.2.1. Stator động cơ BLDC Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator. Theo truyền thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác. Hình 1.4. Stator động cơ BLDC 8 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối liền nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau. Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Điều này làm cho mô men của động cơ hình sin phẳng hơn nhƣng giá thành lại đắt hơn do phải có thêm các bối dây nối liên tục, còn động cơ hình thang lại rẻ hơn nhưng đặc tính mô men lại có sự nhấp nhô vì sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn. Hình 1.5. Các dạng sức điện động động cơ BLDC Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ. Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp 1.2.2. Rotor động cơ BLDC Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt có dán các thanh nam châm vĩnh cửu. Ở các động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, người ta thường chế tạo trục động cơ có dạng hình trụ rỗng. 9 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Hình 1.6. Các dạng rotor động cơ BLDC Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu.Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau. Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu làm nam châm thích hợp được chọn tương ứng. Nam châm Ferrite thường được sử dụng, tuy giá thành rẻ nhưng mật độ từ trường thấp. Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Trong khi đó các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm. Vật liệu hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được mô men tương ứng. Do đó, với cùng thể tích, mô men của rotor có nam châm làm từ vật liệu hợp kim luôn lớn hơn nam châm làm từ Ferrite. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ công suất lớn. Nam châm được sản xuất từ vật liệu hợp kim hiếm có giá thành cao và thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao. 1.2.3. Cảm biến xác định vị trí Rotor Không giống như những động cơ một chiều thông thường dùng cơ cấu cổ góp- chổi than, chuyển mạch của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than được điều khiển bằng điện tử. Tức là các cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫn công suất. Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator sẽ được cấp điện theo thứ tự. Như chúng ta đã biết, đổi chiều dòng điện căn cứ vào vị trí của từ thông rotor. Do đó vấn đề xác định được vị trí từ thông rotor là rất quan trọng để ta biết được cuộn dây trên stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện. Để xác 10 Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC định vị trí từ thông rotor, ta dùng các thiết bị cảm biến sau: - Cảm biến Hall - Cảm biến từ trở MR (magnetoresistor sensor). - Đèn LED hoặc transistor quang. Hầu hết các động cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến đặt ẩn bên trong stator, ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ. Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến, các cảm biến sẽ hoạt động, gửi các tín hiệu cao hoặc thấp tương ứng với khi cực Bắc (N) hoặc cực Nam (S) đi qua cảm biến. Cảm biến Hall Người ta thường dung cảm biến hiệu ứng Hall (Hall sensor). Nó tạo ra sức điện động đồng bộ phục vụ cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở bộ chuyển mạch điện tử. Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến .Các cảm biến Hall có thể được đặt dịch pha nhau các góc 600 hoặc 1200 tùy thuộc vào số đôi cực. Dựa vào điều này, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch mà cần phải thực hiện trong quá trình điều khiển động cơ. Bộ cảm biến từ trở MR Từ thông sẽ làm thay đổi điện trở mạch, với phương pháp này ta có thể phát hiện chính xác vị trí của từ thông. Khi nam châm đến gần thành phần cảm biến từ trở, điện trở của thành phần này sẽ bị thay đổi. Sự thay đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ giảm dần tới khi nam châm hoàn toàn vượt qua thành phần này. Điện trở thay đổi được tính theo công thức: R= 𝑈 𝑚.𝑣 Trong đó: R là điện trở thay đổi. m là mật độ hạt mang điện. v là vận tốc hạt mang điện. 11 (1.1) Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC Dùng đèn LED transistor quang và màn chắn Hình 1.7. Thiết bị cảm biến vị trí rotor dùng transistor quang Trên hình 1.7 là hệ thống xác định vị trí từ thông rotor dùng transistor quang hay màn chắn. Nguyên lý hoạt động: Một transistor PT1 ở trạng thái dẫn thì hai transistor còn lại là PT2 và PT3 ở trạng thái tắt Mạch điện tử công suất gồm 6 transistor (hình 1.7) được mắc thành cầu đối xứng. Ba cuộn dây stator được nối tam giác. Trên rotor gắn mạch tạo tín hiệu điều khiển động cơ. Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khiển bằng trisistor quang 1.2.4. Bộ chuyển mạch điện tử Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí roto. 12