Tìm hiểu động cơ không chổi than (BLDC)

Thảo luận trong 'CLB chế xe' bắt đầu bởi vam2791, 10 Tháng mười 2013.

  1. vam2791 Member

    1. Giới thiệu chung về động cơ BLDC

    Động cơ DC không chổi than-BLDC (Brushles Dc motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator.

    Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thƣờng, các cuộn dây BLDC cũng được đặt lệch nhau 120 điện trong không gian của stator. 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.

    1.1 Ưu điểm

    Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao.
    Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn.
    Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.
    Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:
    • Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.
    • Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.
    • Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
    • Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).
    • Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không.
    • Vận hành ở tốc độ cao.
    • Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.
    • Hiệu suất cao.
    • Kết cấu gọn.
    1.2 Nhược điểm

    Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhưng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giá thành nam châm có thể giảm.
    Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor. Điều này làm tăng giá thành đẩu tư khi sử dụng động cơ BLDC. Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và mômen động cơ dễ dàng, chính xác hơn.
    Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhƣng khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Nhưng với loại nam châm hiếm như hiện nay thì nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể.

    2. Cấu tạo động cơ BLDC

    Khác với động cơ một chiều bình thường, động cơ một chiều không chổi than BLDC có phần ứng đứng yên nằm trên stator và phần cảm quay nằm trên rotor.
    • Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn, trong các rãnh của stator đặt cuộn ứng như trong các rãnh phần ứng bình thường.
    • Rotor thường là nam châm vĩnh cửu.
    a19.png
    Cấu tạo của động cơ BLDC của Micrichip.
    3. Cấu trúc của động cơ BLDC
    Nam châm vĩnh cửu dùng để kích từ có thể là loại nam châm điện từ hoặc loại nam châm hiếm như: AlNiCo, NdFeB, SmCO… Tuy nhiên hiện nay người ta thường sử dụng các loại nam châm hiếm vì chúng có từ dư lớn, từ tính ít thay đổi khi nhiệt độ tăng, khó bị khử từ…Với công nghệ chế tạo nam châm ngày càng phát triển mạnh các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu ngày càng được cải thiện, chất lượng nam châm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phép động cơ
    BLDC được chế tạo và ứng dụng nhiều hơn.
    Theo cách dán nam châm vào rotor động cơ ta phân thành hai kiểu rotor: rotor có nam châm dán trên bề mặt bên ngoài ( rotor-surface-mounted magnet) và dạng rotor nam châm nằm bên trong (interior magnets).
    a20.png
    Nam châm được đặt trên rotor của động cơ BLDC
    a,b,c: nam châm dán bề mặt ngoài rotor
    d,e,f,g: nam châm đặt bên trong rotor.
    Theo vị trí tương đối của rotor đối với stator ta có hai kiểu động cơ: Động cơ rotor nằm bên trong ( interior rotor) và động cơ rotor nằm bên ngoài (exterior rotor).
    3.1 Động cơ nam châm dán ngoài bề mặt rotor
    Máy điện có nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor được xem như một động cơ cực từ ẩn.Thiết kế và cấu trúc stator và các cuộn dây tương tự như trong các máy điện đồng bộ truyền thống. Nam châm vĩnh cửu được đặt trên bề mặt cả rotor và được gắn chặt vào rotor. Do nam châm có độ thẩm từ rất nhỏ so với sắt cho nên ảnh hưởng của khe hở không khí lên máy là lớn. Thông thường giả thiết khi phân tích máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì khe hở không khí là đồng dạng
    a21.png
    Kiểu rotor nam châm dán ngoài bề mặt.
    Trong trường hợp các thanh nam châm được gắn trên bề mặt của rotor, sự ra tăng độ thẩm từ do môi trường bên ngoài là 1,02-1,2. Chúng có cường độ từ trường lớn, cho nên có thể xem máy điện có khe hở không khí lớn, do đó có thể bỏ qua hiện tượng cực lồi. Hơn nữa,do khe hở không khí lớn, điện cảm đồng bộ nhỏ và vì vậy có thể bỏ qua hiện tượng phản ứng phần ứng. Một hệ quả của khe hở không khí lớn là hằng số điện của cuộn stator nhỏ. Nam châm dán nên rotor có thể có nhiều hình dạng, dạng cung trong hay dạng phẳng có độ dày vài milimet. Nam châm dạng cung tạo một từ thông trong khe hở không khí bằng phẳng và mômen ít dao động. Cũng có thể giảm dao động của mômen bằng cách thiết kế stator thích hợp.

    3.2 Động cơ có nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor
    Động cơ loại này, nam châm được đặt bên trong của than rotor, nam châm có thể được đặt vuông góc nhau hay chéo nhau. Máy điện có nam châm bên trong rotor cũng như động cơ đồng bộ cực lồi . Do các thanh nam châm được đặt bên trong rotor, ảnh hưởng của khe hở không khí nhỏ hơn nhiều so với máy điện có các thanh nam châm đặt bên ngoài rotor. Đặc tính này cho phép có thể vận hành dễ dàng trong vùng từ trường yếu mà rất khó trong trường hợp nam châm dán ở mặt ngoài rotor. Do khe hở không khí là không đồng dạng nên điều khiển phức tạp hơn nhiều so với máy điện có nam châm dán ở mặt ngoài rotor, do mômen tạo ra gồm cả hai thành phần: thành phần cơ bản và thành phần cưỡng bức.
    a22.png
    Kiểu rotor nam châm nằm bên trong
    4. Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC
    4.1 Đặc điểm bộ điều khiển
    Giống với các loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thông thường, động cơ BLDC cũng sử dụng nguồn điện 3 pha để tạo từ trường quay. Tuy nhiên động cơ BLDC sử dụng dòng điện một chiều được điều khiển bằng các khóa công suất để tạo điện áp DC 3 pha lệch nhau 120 để hoạt động, do đó nó có tên gọi động cơ DC không chổi than. Giản đồ dòng điện áp một chiều ba pha và xoay chiều 3 pha như sau:
    a23.png
    Giản đồ so sánh dạng sóng sin ba pha và DC ba pha:
    (a):sóng sin
    (b):sóng DC
    Động cơ BLDC hoạt động trên nguyên tắc xác định vị trí rotor và điều khiển dòng điện phần ứng cho phù hợp với vị trí đó. Do đó động cơ BLDC hoạt động phải có thiết bị xác định vị trí rotor như Encoder hoặc cảm biến từ trường Hall. Cảm biến này sẽ gửi tín hiệu vị trí rotor về bộ điều khiển để đóng ngắt dòng điện DC chạy qua các cuộn dây của các pha tương ứng với vị trí của rotor lúc đó. Đây là một trong những nhược điểm về hoạt động và điều khiển của động cơ BLDC. Tuy nhiên với nguyên tắc hoạt động như vậy ta có thể dễ dàng điều khiển vận tốc và vị trí của động cơ.
    Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển tương ứng. Bộ điều khiển này cấu tạo giống như một bộ nghịch lưu bap ha thông thường tuy nhiên dòng điện ra là dòng điện không đổi DC. Tại một thời điểm hoạt động bộ điều khiển chỉ cho dòng điện DC chạy qua hai cuộn dây của hai pha tương ứng với vị trí của rotor lúc đó. Đây là khác biệt giữa động cơ BLDC với các động cơ đồng bộ tương ứng.

    a24.png
    Sơ đồ khóa và quá trình đóng cắt điều khiển động cơ BLDC

    a25.png
    Giản đồ dòng điện tương ứng ba pha của dây quấn stator.
    4.2
    Cảm biến vị trí rotor - Cảm biến Hall
    Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder. Có thể đặt các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến bên ngoài lắp vào trục động cơ.
    Cảm biến hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) được dùng trong động cơ BLDC để xác định vị trí cực nam châm của rotor. Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ điều khiển đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC cho cuộn dây stator tương ứng. Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trường và có một dòng điện DC chạy qua thì sẽ có một điện áp sinh ra tại ngõ ra của cảm biến.
    Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ. Điện áp V sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từ trường. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân 1/0 do đó cả cảm biến đều được chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 120 độ điện hay 60 độ điện để xác định chính xác vị trí rotor để điều khiển tương ứng các pha của dòng điện phần ứng stator.
    a26.png
    Tích hợp cảm biến Hall vào một IC.
    a27.png
    Đặt cảm biến Hall bên trong động cơ.
    a28.png
    Tín hiệu cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha.
    4.3 Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC
    Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng cảm biến vị trí Hall ( hoặc Encoder) và phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Trong đó ta có hai phương pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều khiển đó là điện áp dạng sóng hình thang và dạng sóng hình sin. Cả hai phương pháp hình thang và hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và không cảm biến, trong khi phương pháp không cảm biến chỉ
    dùng phương pháp điện áp dạng song hình thang.
    4.3.1 Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall-phương pháp 6 bước.
    Phương pháp này được dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ BLDC dùng tín hiệu đưa về từ cảm biến vị trí rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện vào các cuộn dây tương ứng. Giản đồ xung kích và dòng điện đóng ngắt tương ứng thể hiện ở trong biểu đồ về "tín hiệu cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha" ở trên.
    4.3.2 Điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách điều chỉnh điện áp ngõ vào.
    Đây là phương pháp điều khiển giống với điều khiển động cơ DC thông thường. Tốc độ động cơ được điều khiển bằng cách điều chỉnh điện áp DC cung cấp cho bộ khóa công suất. Điện áp ngõ vào được điều chỉnh sao cho tốc độ ngõ ra bám sát theo tốc độ đặt cho hệ thống. Để thay đổi chiều quay ta thay đổi các khóa công suất sao cho dòng điện chạy qua các cuộn dây các pha có chiều ngược lại. Trong phương pháp này các khóa bán dẫn chỉ có nhiệm vụ đóng hoặc
    cắt dòng điện qua nó.
    4.3.3 Điều khiển bằng phương pháp PWM.
    Trên cơ sở điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng phương pháp điều chỉnh điện áp vào ta có thể áp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển tốc độ động cơ. Đây cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong điều khiển điện áp hiện nay. Với phương pháp này điện áp cung cấp cho bộ khóa công suất không đổi, tuy nhiên điện áp ra khỏi bộ khóa đến động cơ thay đổi theo thuật toán điều khiển. Phương pháp PWM có thể dùng cho khóa trên, khóa dưới hay đồng thời cả hai khóa trên và dưới cùng lúc.
    a29.png
    Giản đồ xung điều khiển PWM kênh trên
    Trong khi điều chế PWM ta có thể điều khiển điện áp ra kiểu sóng hình thang hay kiểu sóng sin, do đó phương pháp này được chia thành hai kỹ thuật:kỹ thuật điện áp hình thang và kỹ thuật điện áp hình sin.



    4.3.3.1 Kỹ thuật điện áp hình thang.



    Đây là kỹ thuật cơ bản trong điều khiển động cơ BLDC và các IC chuyên dùng cũng áp dụng kỹ thuật này để điều khiển. Kỹ thuật này chỉ đòi hỏi các khóa đóng ngắt đồng bộ với cảm biến Hall theo tần số PWM nhất định.
    a30.png
    Giản đồ điện áp hình thang tương ứng với cảm biến Hall.
    4.3.3.2 Kỹ thuật điện áp hình sin

    Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là điều khiển AC không chổi than (brushless AC). Kỹ thuật này làm giảm tiếng ồn có thể nghe thấy được, giảm gợn sóng mômen do dạng sóng điện áp và dòng điện ra ít bị gợn sóng.
    a31.png
    Giản đồ điều chế điện áp hình sin.
    4.3.4 Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control).
    Đây là phương pháp sử dụng các ước lượng từ thông rotor để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống. Do đó phương pháp này được goi là phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến đối với động cơ BLDC là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ. Tuy nhiên phương pháp này chỉ áp dụng được phương pháp điện áp hình thang.

    Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến:
    • Một là xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phương pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ. Trong đề tài chỉ nói đề cập đến phương pháp này.
    • Hai là ước lượng vị trí dùng các thông số của động cơ,các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ. Phương pháp này đòi hỏi phải tính toán phức tạp để tính toán các thông số.Phương pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành cao.
    Phương pháp ước lượng vị trí rotor dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động đòi chúng ta tạo ra một điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua zero của sức điện động. Điểm trung tính có thể là trung tính hoặc trung tính ảo.
    Điểm trung tính ảo trên lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn dây đấu hình Y. Tuy nhiên điểm trung tính không phải là điểm cố định. Điện áp của điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn. Trong khi điều chế PWM, tín hiệu PWM chồng chất lên điện áp trung tính, gây ra nhiễu rất lớn trên tín hiệu cảm biến. Để lấy tín hiệu chuẩn ta cần mạch lọc nhiễu cho cảm biến, điều này gây trì hoãn không cần thiết cho tín hiệu cảm biến.
    Đặc biệt là lúc động cơ khởi động tín hiệu nhận được rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác. Do vậy phương pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính khởi động nhỏ

    a32.png
    Đo điện áp cảm ứng bằng điểm trung tính.
    (a):điểm trung tính thật
    (b):điểm trung tính ảo.
  2. chromepmpro New Member

    buổi tối vui vẻ

Chia sẻ trang này