Tài liệu ĐỘNG CƠ BLDC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ BLDC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1. Động cơ một chiều không chổi than Hình 1: Động cơ không chổi than Hình 2: Động cơ một chiều thông thường (a) và động cơ một chiều không chổi than (b) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp, chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. Để tránh những nhược điểm đó, máy điện một chiều không chổi than (BLDC) ra đời. Về cơ bản BLDC thực chất là máy điện 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 một chiều không chổi than hiện nay đang rất được quan tâm trong các ứng dụng điều chỉnh tốc độ, điều khiển vị trí chính xác. Bảng sau đưa ra một số so sánh giữa động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường. Các thông Động cơ một Động cơ một Ưu điểm của BLDC so với động số so sánh Bộ chuyển mạch Hiệu suất chiều không chổi than Đảo chiều bằng điện tử dựa trên thông tin từ cảm biến vị trí rotor Cao Bảo trì chiều thông thường Đảo chiều dòng kiểu cơ khí bằng chổi than và cổ góp Trung bình Rất ít hoặc không cần bảo trì Khả năng tản Tốt hơn nhiệt Định kỳ Tỷ số công suất ra / kích cỡ (Output power / frame size) Đặc tính tốc độ / moment Đáp ứng động Cao Trung bình hoặc thấp Bằng phẳng cơ một chiều thông thường 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 Tương đối bằng phẳng Chậm Kém 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. BLDC sử dụng các nam châm vĩnh cửu bằng vật liệu tiên tiến, không có tổn hao trên rotor BLDC không có ma sát ở chổi than làm giảm moment Nhanh Moment quán tính của rotor BLDC thường nhỏ hơn so với moment quán tính của rotor động cơ một chiều thông thường Dải điều Cao Thấp BLDC không bị giới hạn tốc độ về chỉnh tốc độ 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 Bảng 1: So sánh giữa động cơ một chiều không chổi than và động cơ một chiều thông thường Các động cơ một chiều không chổi than có những ưu điểm về mặt vận hành như động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu mà không cần sử dụng chổi than, không cần bảo dưỡng, thay thế chổi than cổ góp. Ngoài ra chúng còn có ưu điểm là có tốc độ rất cao (có thể lên tới 20000 vòng/phút hoặc cao hơn), vận hành êm và hiệu suất cao. Động cơ một chiều không chổi than hiện nay khá phổ biến và được áp dụng trong nhiều ngành khác nhau như tự động hóa các trang thiết bị điện trong công nghiệp, trong hàng không, trong y học, trong dân dụng, trong các phương tiện vận tải v.v. Các ưu điểm có thể kể đến:       Khả năng điều chỉnh tốc độ, vị trí, moment tốt Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ Hiệu suất cao, không có tổn hao đồng trên rotor do sử dụng nam châm vĩnh cửu Tuổi thọ động cơ cao, ít phải bào trì do không có chổi than và cổ góp Động cơ chạy êm, độ ồn nhỏ Không gây nhiễu khi hoạt động 2. Điều khiển động cơ điện một chiều không chổi than Động cơ BLDC gồm 3 cuộn dây stator được đặt lệch nhau 120 0 trong không gian. Các thanh nam châm được dán chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là đông cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí rotor để cho động cơ hoạt động. Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ. 2.1. Cấu trúc của mạch điều khiển động cơ BLDC Động cơ điện một chiều không chổi than sử dụng chuyển mạch điện tử thường được nối theo cấu trúc dạng cầu H đối với động cơ BLDC một pha và cấu trúc cầu ba pha đối với động cơ BLDC ba pha như hình 3. Hình 3: Mạch điều khiển động cơ BLDC a) Mạch cầu H b) Mạch cầu ba pha Thông thường người ta sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển các khóa chuyển mạch bán dẫn, điều này cho phép dễ dàng giới hạn dòng điện khởi động một cách hiệu quả cũng như điều khiển tốc độ và điều khiển moment. Thông thường việc tăng tần số chuyển mạch làm tăng tổn hao PWM. Tuy nhiên nếu tần số chuyển mạch thấp sẽ làm hạn chế dải điều chỉnh của hệ và làm tăng độ nhấp nhô của dòng điện (ripple current) tới mức có thể phá hỏng hoặc làm ngừng hoạt động mạch điều khiển động cơ. 2.2. Hoạt động của chuyển mạch điện tử trong động cơ điện một chiều không chổi than a) Động cơ điện một chiều không chổi than một pha: Việc điều khiển chuyển mạch điện tử của động cơ một chiều không chổi than dựa trên sự phản hồi vị trí rotor để quyết định việc đóng cắt các van bán dẫn tương ứng nhằm tạo ra moment lớn nhất. Biện pháp đơn giản nhất để xác định chính xác vị trí rotor là sử dụng một cảm biến vị trí, phổ biến nhất là cảm biến Hall. Hầu hết các động cơ BLDC đều có các cảm biến Hall được đặt ở stator ở phía đầu trục không truyền động của động cơ. Hình 4: trình tự đóng cắt các van bán dẫn trong mạch điều khiển động cơ BLDC một pha Hình 4 trên thể hiện trình tự đóng cắt các van bán dẫn trong mạch điều khiển động cơ không chổi than một pha. Rotor gồm các nam châm vĩnh cửu được đặt trong stator. Cảm biến vị trí Hall (“a”) được gá bên ngoài stator có tín hiệu ra dạng điện áp tỷ lệ với mật độ từ trường (giả thiết rằng tín hiệu ra ở mức ‘cao’ khi cực bắc của rotor quét qua cảm biến và ở mức ‘thấp’ khi cực nam của rotor đi qua). Các chuyển mạch SW1 và SW4 đóng khi tín hiệu cảm biến Hall ở mức ‘cao’ như thể hiện ở hình (a) và (b). Ở các giai đoạn này, dòng điện phần ứng chảy qua các cuộn dây stator từ OUT1 đến OUT2 và tạo ra từ trường stator với các cực tính xen kẽ. Lực tương tác giữa từ trường stator và từ trường rotor làm rotor chuyển động. Khi rotor quay 1800, thì điện áp ra của cảm biến Hall chuyển về mức ‘thấp’ do cảm biến Hall đối diện với cực nam của rotor. Khi đó các chuyển mạch SW2 và SW3 đóng để đảo chiều dòng điện phần ứng từ OUT2 về OUT1 (như trên hình (c) và (d)). Từ trường stator đảo ngược làm rotor tiếp tục quay theo chiều cũ. Hình 5: Dạng sóng tín hiệu từ cảm biến Hall, trạng thái đóng cắt các van bán dẫn và dạng dòng điện phần ứng. Đồ thị trên thể hiện dạng tín hiệu từ cảm biến Hall, tín hiệu điều khiển các van bán dẫn và dạng dòng điện phần ứng. Do sử dụng phương pháp điều khiển PWM nên dòng điện phần ứng có dạng răng cưa. Điện áp đặt, tần số chuyển mạch và chu kỳ xung PWM (duty cycle) là ba thông số cơ bản để xác định tốc độ và moment của động cơ. b) Động cơ BLDC ba pha Động cơ BLDC ba pha cần có 3 cảm biến Hall để xác định vị trí của rotor. Dựa trên vị trí phân bố của các cảm biến Hall, có 2 loại tín hiệu đầu ra: Hệ tín hiệu đầu ra cảm biến lệch pha 600 và hệ tín hiệu đầu ra cảm biến lệch pha 120 0. Việc kết hợp tín hiệu từ các cảm biến Hall này có thể cho phép xác định chính xác trình tự chuyển mạch. Hình 6: Trình tự chuyển mạch của các van bán dẫn trong mạch điều khiển động cơ BLDC 3 pha Hình 6 thể hiện trình tự đóng cắt các khóa chuyển mạch trong mạch điều khiển động cơ BLDC 3 pha quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Các cảm biến Hall “a”, “b”, “c”, được gá ở trên stator tương ứng lệch nhau 1200. Dây quấn stator của động cơ được nối theo dạng hình sao. Ứng với mỗi góc quay 60 0 của rotor thì một cảm biến Hall trong hệ thay đổi trạng thái và cần 6 lần chuyển mạch để kết thúc một chu kỳ tín hiệu. Ở chế độ đồng bộ, sự đảo chiều của dòng điện pha được thực hiện sau mỗi 60 0. Với mỗi bước, một đầu dây quấn stator được giữ ở mức điện áp cao, một đầu khác được giữ ở mức điện áp thấp trong khi đầu dây thứ 3 thì để treo. Tuy nhiên, mỗi chu kỳ tín hiệu không tương ứng với một vòng quay của rotor. Số chu kỳ tín hiệu cần thiết để hoàn tất một vòng quay của rotor được quyết định bởi số cặp cực rotor. Để hoàn thành một vòng quay, mỗi cặp cực rotor cần một chu kỳ tín hiệu. Vì vậy, số chu kỳ tín hiệu cần thiết để điều khiển động cơ quay một vòng bằng số cặp cực của rotor. Hình 7: Giản đồ thời gian của BLDC 3 pha Hình vẽ thể hiện giản đồ thời gian với các cuộn dây U, V, W được cấp nguồn hoặc treo tùy theo tín hiệu từ các cảm biến Hall “a”, “b”, “c”. Trong trường hợp này, tín hiệu từ các cảm biến Hall tương ứng lệch pha nhau 120 0 khi rotor quay ngược chiều kim đồng hồ. Để điều chỉnh tốc độ quay, người ta sử dụng tín hiệu điều biến độ rộng xung để điều khiển các khóa chuyển mạch ở tần số cao hơn nhiều so với tần số quay của động cơ. Nhìn chung, tần số PWM cần lớn hơn ít nhất 10 lần tần số quay cực đại của rotor. Một ưu điểm khác của phương pháp điều khiển PWM là nếu điện áp nguồn một chiều cấp cho động cơ lớn hơn điện áp định mức của động cơ thì có thể giới hạn chu kỳ làm việc PWM (duty cycle) để điện áp thực tế cấp vào dây quấn bằng điện áp định mức của động cơ. c) Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến Một số ứng dụng không thể dùng cảm biến như máy nén hoặc khi động cơ được nhúng ngập trong chất lỏng. Khi đó các bộ điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến sẽ giám sát sức phản điện động (BEMF) thay cho việc sử dụng cảm biến Hall để xác định vị trí rotor. Mối quan hệ giữa tín hiệu ra của cảm biến và sức phản điện động được thể hiện như hình vẽ sau: Hình 8: Giản đồ thời gian khi điều khiển sensorless Tín hiệu cảm biến thay đổi trạng thái khi cực tính của sức phản điện động chuyển từ dương sang âm hoặc ngược lại. Thời điểm đi qua điểm 0 của sức phản điện động cung cấp chính xác dữ liệu vị trí của rotor như hệ các cảm biến Hall. Tuy nhiên, vì sức phản điện động tỷ lệ với tốc độ quay nên động cơ cần phải quay với tốc độ lớn hơn giá trị nào đó để đảm bảo tín hiệu phản hồi là chính xác. Vì thế, ở tốc độ rất thấp, cần thiết phải sử dụng thêm các mạch phụ như các mạch khuếch đại vòng hở để điều khiển động cơ. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC không cảm biến có thể làm đơn giản hóa cấu trúc của động cơ và giúp giảm giá thành. Phương pháp điều khiển này đặc biệt hữu ích với môi trường làm việc nhiều bụi, dầu mỡ, ít điều kiện vệ sinh thiết bị. ThS Nguyễn Ngọc Văn Bộ môn ĐCN & DD – Khoa KTĐ – Tháng 10/2016