(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ bldc công suất nhỏ

Với tầm quan trọng và khả năng ứng dụng lớn như vậy, quá trình điều khiển, sử dụng động cơ sao cho tối ưu và phù hợp nhất là đề tài rất cần được nghiên cứu chuyên sâu không chỉ trong lĩn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT Ô TÔ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC CÔNG SUẤT NHỎ ( <1KW )

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC CÔNG SUẤT NHỎ (< 1kW)

SVTH: NGUYỄN ĐỨC THÀNH MSSV: 17145355

SVTH: BÙI NGUYỄN NGỌC HIẾU MSSV: 17145289

GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

SVTH: BÙI NGUYỄN NGỌC HIẾU MSSV: 17145289

GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: 1 MSSV:

(E-mail: Điện thoại )

2 MSSV:

(E-mail: Điện thoại )

Chuyên ngành: Mã ngành đào tạo:

Hệ đào tạo: Mã hệ đào tạo:

Khóa: Lớp:

1 Tên đề tài

2 Nhiệm vụ đề tài

3 Sản phẩm của đề tài

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài:

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đề tài:

Ngành đào tạo:

Họ và tên GV hướng dẫn:

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN

2.2 Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.4 Những tồn tại (nếu có)

3 Đánh giá

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

Tên đề tài:

Ngành đào tạo:

Họ và tên GV phản biện:

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN

2.2 Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.4 Những tồn tại (nếu có)

3 Đánh giá

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài:

Họ và tên sinh viên: MSSV:

MSSV:

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

LỜI CẢM ƠN

Để đồ án tốt nghiệp này đạt được kết quả tốt đẹp cho đến ngày hôm nay, nhóm chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của rất nhiều thầy cô giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Thầy cô đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức cho chúng tôi và giúp chúng tôi tìm được hướng đi đúng đắn Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng tôi được bài tỏ lòng biết ơn đến tất cả mọi người đã bảo ban, chỉ dạy và tạo điều kiện giúp đỡ chúng tôi trong kể cả quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.

Đầu tiên, chúng tôi xin gửi tới các giảng viên, nhân viên khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật lời chào hỏi trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm

ơn sâu sắc Với sự quan tâm và hướng dẫn nhiệt tình chu đáo của các thầy, đặc biệt là trong lĩnh vực chuyên ngành ô tô nói riêng và kiến thức khoa học nói chung, đến nay nhóm chúng tôi đã hoàn thành được đề tài đồ án tốt nghiệp của mình.

Đặc biệt, nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới GVHD, ThS Nguyễn Trung Hiếu – giảng viên trực tiếp hướng dẫn và anh Ngô Huỳnh Nhật Triều đã

hỗ trợ nhiều nhất cho nhóm chúng tôi trong suốt quá trình làm đề tài tốt nghiệp Những hướng dẫn vô cùng có ích của thầy và anh đã hỗ trợ chúng tôi rất nhiều trong quá trình làm việc Bên cạnh đó, qua làm việc với mọi người, nhóm đã tích lũy được vốn kiến thức chuyên môn có ích cho bản thân và quan trọng hơn là tác phong, cách thức làm việc hiệu quả cần có ở một kỹ sư Xin chân thành cảm ơn thầy và anh!

Cùng với đó, xin chân thành cảm ơn tất cả các thành viên trong phòng thí nghiệm của thầy Nguyễn Trung Hiếu đã nhiệt tình hỗ trợ cũng như đưa ra những gợi ý, hướng đi cho nhóm Nhờ sự hỗ trợ này, chúng tôi đã có thêm những hướng đi mới cho đề tài, từ

đó nâng cao chất lượng đề tài Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn.

Và cuối cùng, không thể nào không gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến với ba mẹ, những người luôn đồng hành cùng các con, luôn đưa ra những khuyên bảo mỗi lúc con gặp bế tắc nhất Cảm ơn ba mẹ đã đi cùng con trong suốt thời gian qua Thành quả mà con đạt được hôm nay chính là nhờ công sức của ba mẹ đã chịu cực khổ nuôi con qua từng ngày, đã giúp con mở rộng cánh cửa tương lai thông qua con đường học vấn Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến với ba mẹ.

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của nhóm, luận văn này không thể nào tránh được những sai lầm cũng như những thiếu sót, nhóm tôi rất hy vọng nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy để bổ sung cho nhóm, từ đó góp phần hoàn thiện dần nội dung đồ án tốt nghiệp.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Bùi Nguyễn Ngọc Hiếu Nguyễn Đức Thành

TÓM TẮT

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ô tô đang dần trở thành một chiếc máy tính hiện đại và phức tạp chứ không chỉ còn đơn thuần là một phương tiện di chuyển Cùng với sự đi lên đó, các linh kiện, phụ kiện và bộ phận bên trong chiếc ô tô cũng dần được cải thiện theo Trong số đó, phải kể đến là những motor điện Chúng có mặt trong hầu như mọi hệ thống trên xe và có tầm quan trọng không hề nhỏ Khi cải tiến là loại motor không chổi than một chiều ra đời, nó đã thay đổi hoàn toàn diện mạo của một động

cơ điện Các tính năng về điều khiển, bảo vệ, tiện ích đều được nâng lên rõ rệt khi sử dụng động cơ không chổi than.

Chính vì sự phát triển mạnh mẽ của dòng động cơ điện không chổi than một chiều, chúng ta càng phải học hỏi và tiếp thu kiến thức về lĩnh vực này Đầu tiên, chúng ta sẽ nghiên cứu, mô phỏng lý thuyết đề tài để có thể chuẩn bị tốt nhất cho việc hoàn thiện mô hình vật lý và cho chế tạo trong công việc sau này Cùng với đó, ta cũng cần thiết kế, viết

ra thuật toán để điều khiển đông cơ, kiểm tra thông số, đánh giá kết quả để rút ra kết luận nhằm cải thiện vấn đề.

Với những vấn đề đặt ra như trên, nhóm chúng tôi quyết định nghiên cứu và phát triển đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ BLDC cỡ nhỏ (<1kW)”.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Lí do chọn đề tài 2

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 4

2.1 Động cơ không chổi than BLDC 4

2.1.1 Tổng quan về động cơ không chổi than BLDC 4

2.1.2 Cấu tạo 8

2.1.3 Phân loại động cơ BLDC 16

2.1.4 Một số đặc tính của động cơ một chiều không chổi than 22

2.1.5 Nguyên lí làm việc 25

2.2 Ứng dụng của động cơ BLDC 27

2.2.1 Ứng dụng chung 27

2.2.2 Ứng dụng trong lĩnh vực xe sử dụng động cơ đốt trong 27

2.2.3 Ứng dụng trong lĩnh vực xe điện 30

2.3 Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC 30

2.3.1 Phương pháp sáu bước (Six-step Commutation) 31

2.3.2 Phương pháp FOC (Field-oriented Control) 32

2.4 Sơ đồ khối hệ thống 33

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ BLDC VỚI SIMSCAPE 35

3.1 Mô phỏng sức phản điện động của động cơ BLDC 35

3.1.1 Sơ đồ model mô phỏng 35

3.1.2 Thực hiện mô phỏng 35

3.1.3 Kết quả mô phỏng 37

3.2 Mô phỏng bộ phận chuyển mạch 38

3.2.1 Sơ đồ model mô phỏng 38

3.2.2 Thực hiện mô phỏng 38

3.2.3 Kết quả mô phỏng 40

3.3 Mô phỏng điều khiển động cơ với phương pháp sáu bước Six-step Commutation 41 3.3.1 Sơ đồ model mô phỏng 41

3.3.2 Thực hiện mô phỏng 41

3.3.3 Kết quả mô phỏng 45

3.4 Mô phỏng điều khiển PWM 46

3.4.1 Sơ đồ model mô phỏng 46

3.4.2 Thực hiện mô phỏng 46

3.4.3 Kết quả mô phỏng 50

CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 52

4.1 Giới thiệu phần cứng 52

4.1.1 Mạch phát triển STM32 Nucleo-64 STM32F072RB 52

4.1.2 Mạch điều khiển động cơ BLDC 500W 55

4.1.3 Động cơ BLDC Mitsuba 500W 57

4.1.4 Nguồn 24V 57

4.1.5 Các thiết bị điều khiển, theo dõi và quan sát 58

4.2 Các kết nối trong hệ thống 60

4.2.1 Sơ đồ tổng quát kết nối các phần cứng 60

4.2.2 Cấu hình và mô tả các chân kết nối 61

4.3 Tổng quan chương trình điều khiển 63

4.3.1 Phương pháp điều khiển 6 bước (6-steps commutation) 63

4.3.2 Điều khiển PID vòng lặp kín 66

4.3.3 Tính toán tốc độ động cơ 68

CHƯƠNG 5: LÂP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC 69

5.1 Giới thiệu môi trường phát triển tích hợp STM32CubeIDE 69

5.2 Các ngoại vi sử dụng trong quá trình điều khiển 69

5.2.1 Bộ định thời Timers (TIM) 69

5.2.2 Bộ chuyển đổi Analog – Digital (ADC) 70

5.2.3 Bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ (UART) 70

5.2.4 Watchdog Timer (WDT) 70

5.2.5 GPIO và ngắt ngoài (EXTI) 71

5.2.6 Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) 71

5.3 Danh sách các hàm và lưu đồ thuật toán 71

5.3.1 Danh sách các hàm sử dụng trong chương trình điều khiển: 72

5.3.2 Lưu đồ thuật toán 74

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 83

6.1 Đánh giá hoạt động của chương trình điều khiển 83

6.2 Kết luận 87

6.3 Các phương hướng nghiên cứu trong tương lai 88

6.3.1 Về mặt phần cứng 88

6.3.2 Về mặt phần mềm 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHỤ LỤC 1 93

PHỤ LỤC 2 129

PHỤ LỤC 3 141

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

EXTI External Interrupt FOC Field Oriented Control HAL Hardware Abstraction Layer IDE Integrated Development Environment LIN Local Interconnect Network

MOSFET Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistor PID Proportional Integral Derivative

PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor

UART Universal Asynchronous Receiver / Transmitter

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cấu tạo chung động cơ một chiều có chổi than 4

Hình 2.2 Động cơ một chiều không chổi than 6

Hình 2.3 Cấu hình động cơ BLDC: (A) Outrunner (B) Inrunner 7

Hình 2.4 Nối dây hình sao và nối dây hình tam giác 10

Hình 2.5 Mặt cắt phương thức quấn dây Wild Winding 10

Hình 2.6 Mặt cắt phương thức quấn dây Helical Winding 11

Hình 2.7 Mặt cắt phương thức quấn dây Orthocyclic Winding 11

Hình 2.8 Phương pháp quấn dây Needle Winding 13

Hình 2.9 Một số dạng rotor phổ biến 13

Hình 2.10 Board mạch điều khiển động cơ BLDC 14

Hình 2.11 Lực từ Lorentz 15

Hình 2.12 Hiệu ứng Hall 16

Hình 2.13 Hai dạng động cơ BLDC phân loại theo đường từ 16

Hình 2.14 Một số cấu hình stator/rotor động cơ BLDC phổ biến 18

Hình 2.15 Động cơ BLDC dạng radial flux với hai rotor 19

Hình 2.16 Động cơ BLDC dạng axial flux với hai stator 20

Hình 2.17 Đặc tính làm việc động cơ BLDC 24

Hình 2.18 Đặc tính cơ động cơ BLDC 25

Hình 2.19 Tương tác từ giữa stator và rotor 25

Hình 2.20 Quy trình làm việc của động cơ BLDC 26

Hình 2.21 Quy trình làm việc của động cơ BLDC 27

Hình 2.22 Ứng dụng động cơ BLDC vào các hệ thống trên xe 28

Hình 2.23 Điểu khiển động cơ BLDC phương pháp sáu bước 31

Hình 2.24 Điểu khiển động cơ BLDC phương pháp FOC 32

Hình 2.25 Sơ đồ khối hệ thống 33

Hình 3.1 Sơ đồ model 35

Hình 3.2 Thông số khối động cơ BLDC 36

Hình 3.3 Thông số khối động cơ BLDC 36

Hình 3.4 Thông số khối Solver Configuration 37

Hình 3.5 Sức phản điện động động cơ BLDC 37

Hình 3.6 Sơ đồ model 38

Hình 3.7 Sub-system Three-Phase Inverter 38

Hình 3.8 Thông số khối MOSFET 39

Hình 3.9 Thông số khối MOSFET 39

Hình 3.10 Thông số khối Voltage sensor 40

Hình 3.11 Thông số khối Inertia 40

Hình 3.12 Dịch chuyển của rotor 40

Hình 3.13 Sơ đồ model 41

Hình 3.14 Sub-system Sensor 42

Hình 3.15 Sub-system Commutation Logic 43

Hình 3.16 Sơ đồ model 44

Hình 3.17 Thông số khối Repeating Sequence 44

Hình 3.18 Thông số khối PID Controller 44

Hình 3.19 Vận tốc motor đo được và điện áp cấp motor 45

Hình 3.20 Vận tốc motor đo được trong thời gian khoảng 0.1s 45

Hình 3.21 Sơ đồ model 46

Hình 3.22 Thông số khối Repeating Sequence 46

Hình 3.23 Sub-system Three-phase Converter 47

Hình 3.24 Thông số khối Converter 47

Hình 3.25 Thông số khối Converter 47

Hình 3.26 Sub-system Commutation Logic 49

Hình 3.27 Thông số khối PWM Generator 49

Hình 3.28 Tốc độ đo được và điện áp cấp motor 50

Hình 3.29 Điện áp của một pha 51

Hình 4.1 Các dòng vi điều khiển STM32 và lõi xử lí ARM Cortex-M tương ứng 53

Hình 4.2 Các mạch phát triển STM32 Nucleo và khả năng tương thích 54

Hình 4.3 Mạch phát triển STM32 Nucleo-64 55

Hình 4.4 Các mạch điều khiển, mạch công suất có sẵn trên thị trường 56

Hình 4.5 Mạch điều khiển động cơ không chổi than 500W 56

Hình 4.6 Động cơ trợ lực lái của MITSUBA, công suất 500W 57

Hình 4.7 Nguồn chuyển đổi AC-DC NI PS-16, công suất 240W 58

Hình 4.8 Đồng hồ theo dõi điện áp dòng điện của nguồn 58

Hình 4.9 Cổng USB trên mạch STM32 Nucleo-64 59

Hình 4.10 Biến trở 10k 59

Hình 4.11 Sơ đồ thiết lập kết nối tổng quát 60

Hình 4.12 Cấu hình chân kết nối trên mạch STM32 Nucleo_64 62

Hình 4.13 Bố trí và kết nối các MOSFET với các cuộn dây của động cơ 63

Hình 4.14 Nguyên lý của PWM 65

Hình 4.15 Những cách thực hiện phương pháp PWM 65

Hình 4.16 Cấu hình PWM ở các MOSFET mạch điều khiển 66

Hình 4.17 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 67

Hình 4.18 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than với bộ điều khiển PID 67

Hình 4.19 Phương pháp xác định tốc độ động cơ 68

Hình 5.1 Môi trường phát triển tích hợp chính thức của vi điều khiển STM32 – STM32CubeIDE 69

Hình 5.2 int main(void) 74

Hình 5.3 static void Peripheral_Initiate () 75

Hình 5.4 static uint8_t Set_PWM_Value(double duty) 75

Hình 5.5 static double getSpeed() 76

Hình 5.6 static void Read_ADC_Value() 76

Hình 5.7 static void BLDCStart() 76

Hình 5.8 static void BLDCStop() 77

Hình 5.9 static void BLDCBackwardCommutate(double dutySet) 78

Hình 5.10 static void BLDCForwardCommutate(double dutySet); 79

Hình 5.11 static void dirCheck(uint16_t GPIO) 80

Hình 5.12 static void hallCheck(GPIO) 80

Hình 5.13 static void Speed_PID(double set_speed) 81

Hình 5.15 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) 82

Hình 5.16 void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) 82

Hình 6.1 Tín hiệu PWM thực tế từ vi điều khiển 83

Hình 6.2 Tín hiệu nhận được từ cổng Serial COM Port 84

Hình 6.3 Mô hình kết nối của hệ thống 84

Hình 6.4 Đồ thị khả năng đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ - chạy thử lần 1 85

Hình 6.5 Đồ thị khả năng đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ - chạy thử lần 2 85

Hình 6.6 Đồ thị khả năng đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ - chạy thử lần 3 86

Hình 6.7 Đồ thị các thông số làm việc khác 87

Hình 1 STM32CubeIDE khởi động lần đầu 129

Hình 2 Tạo project mới 130

Hình 3 Chọn mạch phát triển và đặt tên cho project 130

Hình 4 Đặt tên cho project và hoàn thành tạo project 131

Hình 5 Giao diện thiết lập vi điều khiển 131

Hình 6 Chọn chế độ PWM cho kênh 1 của Timer 1 132

Hình 7 Thiết lập thành công chế độ PWM của Timer 1 133

Hình 8 Chọn các kênh chuyển đổi cho bộ chuyển đổi Analog – Digital 133

Hình 9 Thiết lập thành công bộ chuyển đổi Analog - Digital 134

Hình 10 Giao diện biên soạn mã nguồn của STM32CubeIDE 137

Hình 11 Thiết lập khu vực lập trình của STM32CubeIDE 138

Hình 12 Biên dịch chương trình và kiểm tra lỗi 139

Hình 13 Thiết lập các cài đặt vận hành của chương trình 140

Hình 14 Thông báo tải xuống hoàn tất 140

Hình 1 Các cài đặt kết nối cổng COM của phần mềm 141

Hình 2 Giao diện thiết lập dữ liệu 142

Hình 3 Giao diện theo dõi của phần mềm 143

Hình 4 Giao diện hoàn chỉnh của phần mềm sau khi thiết lập các đồ thị 145

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh động cơ một chiều có chổi than và không chổi than 6 Bảng 2.2 So sánh động cơ một chiều không chổi than và động cơ xoay chiều PMSM8 Bảng 2.3 So sánh hai cách nối dây động cơ điện 9 Bảng 4.1 Ký hiệu và mô tả các chân kết nối trên mạch điều khiển và mạch phát triển STM32 Nucleo-64 61 Bảng 4.2 Ký hiệu và mô tả các kết nối trên cổng kết nối 10 chân của mạch điều khiển 62 Bảng 4.3 Thứ tự kích từ các cuộn dây stator và giá trị tương ứng của cảm biến Hall64 Bảng 5.1 Hàm được tạo tự động bởi chương trình 72 Bảng 5.2 Hàm được viết bởi người dùng 73 Bảng 5.3 Các chương trình ngắt 74

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lí do chọn đề tài

Trong suốt 50 năm qua, sự phát triển của khoa học, công nghệ đã mang đến cho đời sống con người những cải thiện, tiến bộ rõ rệt Cùng với đó, các máy móc và công cụ đã

ra đời nhằm giải thoát sức lao động và phục vụ nhu cầu tận hưởng của chúng ta Trong số các phát minh đó, phải kể đến đó là những chiếc xe ô tô đã vận chuyển hàng hóa và chuyên chở con người trong suốt thời gian qua Nhìn lại, ngành công nghiệp ô tô đã phát triển rất nhanh chóng nhờ liên tục ứng dụng các tiến bộ khoa học mới nhất, tiên tiến nhất

để cải thiện năng suất, hiệu quả làm việc Để hiểu và ứng dụng được những tiến bộ khoa học này là một vấn đề hết sức khó khăn nhưng cũng cực kỳ cần thiết đối với mỗi kỹ sư ô tô.

Trên một chiếc xe ô tô hiện đại ngày nay, không khó để có thể tìm ra hàng chục chiếc motor đang làm việc nhằm mang lại sự thoải mái cho người lái hoặc hỗ trợ, phục vụ quá trình hoạt động của chính chiếc xe Với tầm quan trọng và khả năng ứng dụng lớn như vậy, quá trình điều khiển, sử dụng động cơ sao cho tối ưu và phù hợp nhất là đề tài rất cần được nghiên cứu chuyên sâu không chỉ trong lĩnh vực ô tô mà còn trong nhiều ngành nghề khác.

Nhận thấy tính thực tiễn, ứng dụng cao của lĩnh vực điều khiển điện tử trên ô tô Cùng với đó là sự chỉ dẫn, định hướng từ GVHD Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng tôi đã cân nhắc lựa chọn đề tài tốt nghiệp “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch điều khiển động cơ BLDC công suất nhỏ (dưới 1 kW)”.

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nhờ các tiến bộ của công nghệ vật liệu cũng như kỹ thuật điều khiển, đề tài điều khiển động cơ nói riêng và ngành điều khiển tự động hóa nói chung đã có những bước đi vượt bậc trong hơn bốn thập kỷ qua.

Đối mặt với các vấn đề môi trường của thế kỷ như: hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm khí thải, cạn kiệt năng lượng hóa thạch và nóng lên toàn cầu Ngành công nghệ ô tô được dự báo là sẽ có những bước chuyển mình mạnh mẽ để phục vụ con người cũng như góp phần giải quyết vấn đề trên Không chỉ còn đơn thuần là một phương tiện vận chuyển,

tính tiện nghi và an toàn sẽ ngày càng được cải thiện, chú trọng cùng với đó là các phát triển trong việc tối ưu hóa năng lượng điện, hiệu suất động cơ điện, truyền động, trên xe.

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm vừa qua, các đề tài trong ngành điều khiển tự động hóa đã được chú ý, đầu tư nhiều hơn đáng kể Đặc biệt, trong lĩnh vực ô tô, phải kể đến đó là sự ra mắt của tập đoàn sản xuất ô tô Vinfast, đánh dấu Việt Nam đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ trong lĩnh vực phát triển, nghiên cứu ô tô.

Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại nhiều đề tài, nghiên cứu không mang tính thực tiễn, không

có tầm ảnh hưởng tới xã hội đang khiến cho môi trường điều khiển tự động bị xấu đi Đòi hỏi cần có các nghiên cứu tập trung hơn tới tính thiết thực, chú trọng vào không chỉ là kiến thức, nội dung mà còn vào chính xã hội, ngành nghề phục vụ.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Động cơ không chổi than BLDC

2.1.1 Tổng quan về động cơ không chổi than BLDC 2.1.1.1 Động cơ một chiều có chổi than

Trước khi nói đến động cơ không chổi than, chúng ta cần xem xét một loại động cơ

DC khác mà trước kia, và thậm chí ngày nay, vẫn được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đó là động cơ một chiều có chổi than Đúng như tên gọi đối lập nhau, ta

có thể dễ dàng phân biệt được hai dòng động cơ trong nhóm động cơ một chiều này Nhìn chung, có thể nói động cơ không chổi than được sinh ra nhằm khắc phục các nhược điểm của động cơ có chổi than.

Đầu tiên, ta sẽ xem xét động cơ một chiều có sử dụng chổi than Cấu tạo chung của động cơ này bao gồm: rotor, stator và bộ phận đảo chiều dòng điện (cổ góp và chổi than) (cụ thể ở hình 2.1).

Hình 2.1 Cấu tạo chung động cơ một chiều có chổi than

Rotor của động cơ một chiều có sử dụng chổi than thường là các cuộn dây đặt xen với nhau, cách nhau những góc tùy thuộc vào số lượng và cấu tạo động cơ Hai đầu cuộn dây tiếp xúc với cổ góp Theo nguyên lí hoạt động, từng cuộn dây của rotor sẽ được cấp điện Cụ thể, rotor sẽ tiếp nhận dòng điện từ cổ góp, dẫn nó qua các cuộn dây bên trong.

Từ đó, các cuộn dây được dẫn điện và tác dụng từ với stator khiến rotor quay Đây cũng chính là nhiệm vụ của rotor trong động cơ - tạo đầu ra là chuyển động quay.

Stator của động cơ một chiều có thể là nam châm vĩnh cửu, hoặc trong một số trường hợp có thể là cuộn dây nam châm để giảm bớt lượng kim loại dùng làm nam châm Nhiệm vụ chính của stator là tạo ra từ trường tác dụng với rotor Với loại stator nam châm điện, có một số cách quấn dây so với nguồn điện là song song hoặc nối tiếp Mỗi cách quấn sẽ cho một số đặc điểm riêng.

Nói chung cho toàn bộ động cơ một chiều, để có thể hoạt động, chiều dòng điện của rotor/stator phải luôn phù hợp Để làm được điều này, bộ phận đổi chiều dòng điện được thiết kế Ở loại có chổi than, chính chi tiết này có nhiệm vụ giữ cho chiều dòng điện qua rotor hợp lí để động cơ hoạt động Chổi than được làm từ chì giúp dẫn điện Bên cạnh đó, chổi than đi kèm với lò xo, liên tục đẩy nó tiếp xúc với rotor Sau một khoảng thời gian nhất định, chổi than sẽ bị mòn đi, yêu cầu người dùng phải thay thế Đây chính là nhược điểm đáng kể của động cơ có sử dụng chổi than Theo như tài liệu về động cơ BLDC của Sang Hoon Kim, một động cơ có chổi than với đường kính 25 - 34 mm có thể hoạt động khoảng 1000 giờ, đường kính 37 - 60 mm là khoảng 2000 giờ và nếu được thiết kế đặc biệt có thể kéo dài đến 3000 giờ.

Do sử dụng phương pháp đổi chiều dòng điện bằng cơ khí, tuổi thọ và nguy cơ mất

an toàn do tia lửa sinh ra chính là nhược điểm của động cơ trên Bên cạnh đó, tiếng ồn cũng là một vấn đề cần nhắc đến Hơn nữa, ma sát giữa chổi than với cổ góp khiến cho hiệu suất của động cơ bị giảm đi phần nào Đồng thời moment quán tính khi khởi động cũng tăng lên Tuy vậy những ưu điểm của động cơ có chổi than đã bù đắp lại và giúp cho nó trở nên phổ biến và đáng cân nhắc Đầu tiên đó chính là cấu tạo, nguyên lí hoạt động, cách dùng đơn giản Chỉ cần cấp đúng nguồn điện, động cơ sẽ quay và hoạt động tốt cho đến khi chổi than mòn Cũng nhờ ưu điểm trên mà động cơ này có chi phí sản xuất tương đối thấp, phù hợp và rất cạnh tranh trong các lĩnh vực đòi hỏi chi phí thấp và hiệu quả tương đối.

2.1.1.2 Động cơ một chiều không chổi than BLDC

Một thời gian sau khi sử dụng động cơ có chổi than, động cơ BLDC được đã được phát triển vào năm 1962 Loại động cơ này gần như ưu việt hoàn toàn so với loại tiền nhiệm Trong đồ án này, đặc biệt là chương hai - nghiên cứu lý thuyết, ta sẽ dành thời gian phân tích cấu tạo, đặc điểm cũng như các ứng dụng của động cơ BLDC.

Hình 2.2 Động cơ một chiều không chổi than

Tiếp theo trong phần này, ta sẽ so sánh hai loại động cơ một chiều trên với nhau Như vậy, ta sẽ có được cái nhìn tổng quan về không chỉ động cơ BLDC mà cả động cơ có chổi than Cùng lúc đó, hiểu hơn về lý do động cơ không chổi than đang dần lấn át hoàn toàn loại còn lại trong nhiều lĩnh vực nhất định Ta sẽ tiến hành so sánh chúng thông qua các đặc điểm trong bảng sau:

Nội dung ĐCMC có chổi than ĐCMC không chổi than

Phần ứng/phần

Bộ chuyển mạch

Đảo chiều điện từ nhờ mạch điều khiển và các linh kiện bán dẫn

Đảo chiều nhờ công cụ cơ khí

là cổ góp và chổi than

Bảo trì Rất ít hoặc không Định kỳ theo độ mòn chổi than

Bảng 2.1 So sánh động cơ một chiều có chổi than và không chổi than

Ở đây, phần ứng, phần kích từ hay bộ chuyển mạch có sự khác nhau là do cấu tạo riêng của từng loại Việc đổi từ đảo chiều cơ khí sang đảo chiều điện tử là điểm mấu chốt khiến cho động cơ BLDC có ưu điểm hơn về hiệu suất, tuổi thọ, tiếng ồn, đáp ứng động

và dải điều chỉnh tốc độ Cụ thể, đáp ứng động nhanh ở đây là loại không chổi than có quán tính khi khởi động nhỏ hơn đồng thời không có ma sát ở chổi than khi làm việc Cũng vì lí do về đảo chiều điện tử mà giới hạn về tốc độ có thể đạt được hay điều chỉnh được nâng lên.

Hình 2.3 Cấu hình động cơ BLDC: (A) Outrunner (B) Inrunner

Tuy nhiên, các ưu điểm trên cũng đi kèm với thách thức đặt ra cho động cơ BLDC Một là điều khiển thế nào để động cơ có thể hoạt động được Việc này đòi hỏi bộ phận điều khiển phức tạp đi kèm với động cơ Cũng chính vì thế mà hai là, giá thành động cơ tăng lên Nhìn chung, thông qua các đặc điểm đã so sánh này, ta có thể thấy động cơ không chổi than một chiều rất phù hợp với các thiết bị quan trọng, làm việc xuyên suốt, đòi hỏi hiệu suất và tuổi thọ cao.

Cần tránh để không nhầm lẫn giữa động cơ BLDC với loại động cơ PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor Cụ thể, đường sức từ sẽ là hình thang ở động cơ không chổi than một chiều BLDC, và là hình sin ở động cơ PMSM Bên cạnh đó, động

-cơ PMSM được xem là một động -cơ xoay chiều, và đôi khi còn được gọi là BLAC Một

số đặc điểm khác biệt giữa hai loại này còn được tiếp tục trình bày ở bảng 2.2.

Nội dung BLDC Motor PMSM

dòng điện stator

Bảng 2.2 So sánh động cơ một chiều không chổi than và động cơ xoay chiều PMSM

2.1.2 Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ không chổi than BLDC bao gồm 3 phần chính: stator, rotor và

và bộ phận điều khiển Ngoài ra tùy thuộc loại động cơ mà cảm biến vị trí còn được gắn thêm trên stator Nhìn chung, cấu tạo động cơ BLDC rất giống một loại động cơ xoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu - Permanent Magnet Synchronous Motor.

2.1.2.1 Stator

Stator gồm nhiều cuộn dây đồng cuốn quanh lõi sắt hoặc nhôm Được sắp xếp xung quanh trục quay động cơ Số lượng cuộn dây của stator và cặp cực của rotor thường được thiết kế phù hợp với nhau Nhiệm vụ của stator ở động cơ BLDC chính là nhận nguồn điện, từ đó trở thành nam châm điện tạo ra từ trường tương tác với rotor giúp bộ phận này quay Một số yếu tố ảnh hưởng đến stator nói riêng và động cơ nói chung mà ta sẽ phân tích sau đây là cách quấn dây và loại pha động cơ sử dụng.

Pha động cơ

Động cơ một chiều không chổi than có thể là một pha, hai pha hoặc ba pha Số cuộn dây của stator cũng sẽ phụ thuộc vào số pha Trong đó, loại ba pha là phổ biến nhất và được sử dụng rất nhiều trong đời sống ngày nay Chính vì vậy, số cuộn dây stator được

sử dụng thông thường là bội số của ba Ngoài ra, số lượng cuộn dây cũng phụ thuộc vào rotor và thiết kế động cơ nói chung Trong đồ án này, ta sẽ chỉ tập trung vào loại động cơ BLDC ba pha.

Với loại ba pha, cách nối dây gồm hai loại đó là hình sao Y và hình tam giác ∆ Loại hình sao Y có ba cuộn dây nối chung lại một điểm - gọi là điểm trung tính Còn lại, loại hình tam giác ∆ sẽ có mỗi cuộn dây nối hai cuộn còn lại với nhau qua hai đầu Mỗi cách nối dây trên đem lại cho động cơ một số đặc điểm nhất định Trên thực tế, ta còn có thể

sử dụng cả hai cách nối dây này để đem lại nhiều hơn ưu điểm cho động cơ và hệ thống điện Bảng 2.3 cho ta biết một số đặc điểm cũng như so sánh hai loại nối dây trên.

Nối dây hình sao Y Nối dây hình tam giác ∆

Ba cuộn dây đều có một đầu được nối với nhau vào một điểm trung tính

Mỗi hai đầu cuộn dây được nối với các cuộn còn lại

Điện áp giữa hai dây pha � ���� gấp căn bậc

ba lần điện áp giữa hai đầu cuộn dây � ����

����� = 3 × �����

Điện áp giữa hai dây pha và điện áp giữa hai đầu cuộn dây là như nhau

� ���� = � ����

Cường độ dòng điện dây � ���� bằng cường

độ dòng điện cuộn dây �����

����� = �����

Cường độ dòng điện dây � ���� gấp căn bậc

ba cường độ dòng điện cuộn dây �����

����� = 3 × �����

Yêu cầu dòng khởi động nhỏ Yêu cầu dòng khởi động lớn Cho moment khởi động nhỏ Cho moment khởi động lớn

Bảng 2.3 So sánh hai cách nối dây động cơ điện

Trong đồ án này, với phần cứng tương ứng, chúng ta tập trung vào động cơ BLDC với cách điều khiển cấp điện qua hai cuộn dây một lúc và cuộn dây thứ ba giữ nguyên không cấp điện Vì vậy, xem như là động cơ luôn phải tuân thủ cách nổi dây hình sao Nếu nối dây hình tam giác được dùng, sẽ có điện áp qua cả ba cuộn một lúc.

Hình 2.4 Nối dây hình sao và nối dây hình tam giác

Với mục tiêu là tạo từ trường cho động cơ BLDC, stator gồm các cuộn dây quấn quanh lõi thép hoặc nhôm Và cách quấn các cuộn dây này cũng có ảnh hưởng đến stator đặc biệt là về kích thước và hiệu suất Ở phần này, ta sẽ đi sơ lược về một số nguyên lí và quá trình quấn dây hiện nay.

Nguyên lí quấn dây

Nguyên lí quấn dây đầu tiên cần nhắc đến đó là Wild Winding, tạm dịch là quấn dây

tự do, hay còn gọi Jumble Winding hoặc Scramble Winding Ở cách quấn dây này, các vòng dây không được quấn theo lớp mà được kéo quanh lõi đến khi đạt đủ số vòng dây Chính vì vậy, cách quấn này không có chỉ số lấp đầy cao (poor fill factors) và các vòng dây được sắp xếp ngẫu nhiên Tuy vậy, đây lại là một trong số những cách quấn dây được

sử dụng phổ biến trong sản xuất ngày nay nhờ cách thực hiện đơn giản, nhanh chóng với chi phí nhỏ và không yêu cầu máy móc chuyên dụng Một số ứng dụng của nguyên lí đi dây này có thể kể đến là cuộn dây relay và motor điện loại nhỏ.

Hình 2.5 Mặt cắt phương thức quấn dây Wild Winding

Nguyên lý quấn dây thứ hai là Helical Winding, tạm dịch là quấn dây xoắn ốc Ở loại này từng lớp dây được quấn vào lõi theo chiều quấn luân phiên trái phải Số lớp dây nếu vượt quá giới hạn sẽ khiến cấu trúc xoắn ốc khó có thể giữ vững dẫn đến trở thành quấn dây tự do Điều này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng một lớp cách điện giữa mỗi lớp dây Lớp cách điện này là cần thiết khi điện áp giữa mỗi mỗi lớp vượt quá khả năng cách điện của dây đồng.

Hình 2.6 Mặt cắt phương thức quấn dây Helical Winding

Nguyên lý quấn dây cuối cùng được đề cập ở đồ án này Orthocyclic Winding Cách quấn dây này có nét tương tự với cách quấn dây xoắn ốc kể trên Tuy nhiên, hướng quấn được thực hiện thường chỉ là một hướng Về lý thuyết, đây là cách quấn dây có chỉ số lấp đầy cao nhất trong ba loại kể trên Nhờ đó, cùng một số vòng dây, kích thước của cuộn dây được giảm xuống phần nào Các lớp quấn đầu cũng như các bước quấn dây của nguyên lý này cần được thực hiện kỹ để giúp cho cuộn dây có thể “tự định hướng”, giúp cho cấu trúc không bị thay đổi ở các lớp sau và không bị biến thành quấn dây tự do Các lớp dây sẽ được quấn xếp lớp, xoắn quay trục và khi ta cắt mặt cắt ngang của cuộn dây, hình dạng vòng dây sẽ không là một hình tròn trên một mặt phẳng mà sẽ bị cong do phải sắp xếp theo vòng dây quấn (hump shape).

Hình 2.7 Mặt cắt phương thức quấn dây Orthocyclic Winding

Phương pháp quấn dây

Có bốn phương pháp sẽ được đề cập đến trong phần này của đồ án, bao gồm: Linear Winding, Flyer Winding, Needle Winding, Toroidal Core Winding Chúng ta sẽ đề cập một phần nhỏ đến các phương pháp này.

Linear Winding là phương pháp quấn dây bằng cách quay cuộn dây, giữ nguyên đầu còn lại được gọi là guiding nozzle, tạm dịch ống dẫn dây đồng, và dây đồng liên tục được kéo ra từ ống này Nhìn chung đây là phương pháp cho tốc độ quấn nhanh, đặc biệt là với loại dây mỏng Ống dẫn dây đồng có thể được điều khiển với các góc nghiêng phù hợp nên loại phương pháp này có thể ứng dụng với nhiều nguyên lí quấn dây nói chung Ngoải ra, Linear Winding cũng đạt được hiệu quả cao khi thiết kế với nhiều đầu quay để sản xuất nhiều cuộn cùng lúc Đây là cách sản xuất thường được dùng để sản xuất các cuộn dây stator có khối lượng nhỏ.

Flyer Winding có nguyên lí gần như đối lập với Linear Winding Ở đây, người ta quay đầu dẫn dây đồng và cuộn dây được giữ nguyên Nhờ vậy, phương pháp này có thể sản xuất các cuộn dây có kích thước lớn hơn.

Loại tiếp theo được nhắc đến sẽ là Toroidal Core Winding Ở cách này, chúng ta vẫn quay đầu dẫn dây đồng Tuy nhiên, hành trình quay sẽ khác khi mà lúc này, cuộn dây sẽ được đặt bên trong, trung tâm mặt phẳng chuyển động của đầu dẫn dây đồng Loại này có một nhược điểm là cần phải gỡ cuộn dây ra sau khi quấn xong một cách thủ công hoặc tự động.

Loại cuối cùng nhắc đến sẽ là Needle Winding Đây là phương pháp thường được dùng để chế tạo stator các động cơ điện Cách cuốn dây loại này cũng có phần đặc biệt khi mà các hành trình không bao gồm chuyển động tròn Dây đồng được điều hướng nhờ đầu dẫn di chuyển liên tục qua lại vào giữa các khe stator Đầu tiên, đầu dẫn sẽ kéo dây đồng qua khe stator Sau đó, stator được di chuyển xoay một góc phù hợp Tiếp theo, dây đồng được kéo ngược lại khe stator tạo thành một vòng dây trong stator Đầu dẫn dây đồng bây giờ tiếp tục kéo dây đồng đi cuốn các khe khác Lặp lại quá trình này ta sẽ hoàn tất quấn một cuộn dây stator.

Hình 2.8 Phương pháp quấn dây Needle Winding

do nam châm tác dụng từ trực tiếp với các vòng dây Nhược điểm là lượng vật liệu dùng làm nam châm tăng cao hơn Để khắc phục nhược điểm này, có thể sử dụng loại rotor còn lại có nam châm ẩn bên trong hoặc gắn vào các khe được thiết kế trên rotor Loại này có cấu tạo phức tạp hơn nhưng vẫn tạo được từ tính tốt và hiệu quả rotor cao nhờ sử dụng với lõi rotor làm từ nhiều lá thép gắn lại với nhau Cũng do đó, khối lượng rotor tăng lên làm moment động cơ tăng theo Bên cạnh đó, trong một số trường hợp, rotor hai loại trên

có thể được khoét rỗng để giảm quán tính.

Hình 2.9 Một số dạng rotor phổ biến

Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích hợp được chọn tương ứng Hiện nay, có một số loại nam châm vĩnh cửu được sử dụng như: nam châm Neodynium Iron Boron (NdFeB), nam châm Samarium Cobalt (SmCo), nam châm Alnico và nam châm Ferrite.

Nam châm Ferrite là loại phổ biến khi có từ trường tốt và dễ dàng sản xuất Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim, cụ thể là nam châm NdFeB trở nên phổ biến hơn Nam châm Ferrite có giá thành rẻ hơn nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp Trong khi đó, vật liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự Do đó, với cùng thể tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm Ferrite.

2.1.2.3 Bộ phận điều khiển (Controller)

Đây đôi khi còn có thể được hiểu là bộ phận đảo chiều dòng điện và là bộ phận quan trọng nhất của động cơ không chổi than một chiều Nếu ở động cơ có chổi than, bộ điều khiển chỉ được sử dụng khi ta muốn thay đổi tốc độ quay thì với động cơ BLDC, nó là bắt buộc.

Hình 2.10 Board mạch điều khiển động cơ BLDC

Cấu tạo của bộ phận điều khiển bao gồm các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET, cùng với các board mạch để đảm bảo hoạt động Nhờ các van bán dẫn, dòng điện qua các cuộn dây stator được đóng ngắt phù hợp theo vị trí rotor và tần số quay của động cơ Với hai cách điều khiển khác nhau: có sử dụng cảm biến và không sử dụng cảm

biến thì bộ điều khiển là khác nhau Bên cạnh đó, cách thức và nguyên lý hoạt động sẽ có phần thay đổi Ở đồ án tốt nghiệp này, chúng ta sẽ tập trung hơn vào bộ điều khiển cùng phương pháp có sử dụng cảm biến tương ứng với phần cứng sử dụng ở chương sau.

2.1.2.4 Cảm biến vị trí

Nếu người dùng lựa chọn cách điều khiển động cơ BLDC không cần dùng cảm biến,

bộ phận này có thể bỏ qua Tuy nhiên, việc có dùng cảm biến vị trí lại rất thường được ưa chuộng ở động cơ không chổi than để nhận biết vị trí của rotor vì nó đem lại những ưu điểm nhất định trong nhiều trường hợp Loại cảm biến được sử dụng phổ biến hiện nay nhất chính là cảm biến Hall.

Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, đặt tên theo người phát hiện ra hiệu ứng này năm 1879 Hiệu ứng Hall xảy ra dựa trên nguyên lí lực từ Lorentz Nguyên lí được phát biểu như sau: nếu hạt có điện tích q (C) chuyển động với vận tốc v (m/s) trong điện trường E (V/m) và từ trường B (T) thì nó sẽ chịu lực tác dụng lên nó Lực Lorentz bằng:

Hình 2.11 Lực từ Lorentz

Như vậy, khi di chuyển trong từ trường, hạt mang điện sẽ chịu tác dụng của lực từ Lorentz Về hiệu ứng Hall, để giải thích, ta xét một tấm vật liệu dẫn điện được cấp một điện áp vào hai đầu Khi này các hạt mang điện di chuyển theo một hướng nhất định trong mạch điện và cụ thể là tấm vật liệu đó Nếu ta đưa một nam châm lại gần, vuông góc với tấm này, các hạt mang điện tuy vẫn di chuyển qua hai đầu vật liệu, nhưng sẽ bị

lệch về một phía Với điện tích khác nhau, các loại hạt tập trung hơn về hai phía khác nhau tạo ra một hiệu điện thế có thể đo được.

2.1.3 Phân loại động cơ BLDC 2.1.3.1 Phân loại theo hình dạng đường sức từ

Khi nói đến cấu hình đường sức từ, ta có thể phân loại động cơ BLDC ra thành hai loại: loại đường sức từ hướng trục (Radial Flux Motor) và đường sức từ dọc trục (Axial Flux Motor).

Hình 2.13 Hai dạng động cơ BLDC phân loại theo đường từ

Với dạng đường sức từ hướng trục (Radial Flux Motor), rotor và stator được sắp xếp trên cùng một mặt phẳng vuông góc với trục quay Hiện tại, đây là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay của động cơ BLDC vì cấu tạo đơn giản, dễ dàng sản xuất, trong khi đó hiệu suất lại cao.

Một dạng động cơ BLDC khác khi phân biệt theo đường sức từ đó là động cơ với đường sức từ dọc trục (Axial Flux Motor) Khác với loại còn lại, rotor và stator ở đây được đặt trên hai hoặc nhiều mặt phẳng khác nhau Điều này giúp tăng diện tích tương tác từ giữa hai bộ phận.

Khi so sánh hai dòng BLDC này với nhau, điều đầu tiên phải kể đến là hình dạng chung của động cơ Thông thường, radial flux motor sẽ có chiều cao lớn hơn, đường kính nhỏ hơn Ngược lại, axial flux motor lại có hình dạng dẹt do nhu cầu về đường kính lớn giúp tăng diện tích tương tác từ Đặc điểm hình dạng giúp hai loại này có những ưu thế nhất định trong từng loại ứng dụng Về các đặc điểm công suất, hiệu suất, moment, đã

có nhiều so sánh được tiến hành bởi nhiều nghiên cứu về hai loại động cơ BLDC trên Tuy nhiên, các chỉ số chênh lệch tương đối nhỏ và điều kiện so sánh khác nhau rất nhiều nên khó nói rõ dạng động cơ nào nổi trội hơn Điều đáng kể nhất đó là hiệu suất của cả hai loại đều giảm khi kích thước hoặc số cực từ rotor chúng tăng lên quá cao Như vậy, giữ cho số cặp từ rotor và thiết kế động cơ hợp lý là điều cần thiết Một yếu tố có lợi cho động cơ Axial đó là dễ dàng ứng dụng sử dụng thêm rotor hoặc stator mà vẫn giữ được

ưu điểm kích thước nhỏ gọn Nhờ đây, kiểu thiết kế bánh kẹp hai stator với một đĩa rotor

đã được áp dụng cho dòng động cơ này và trở nên rất nổi trội Điều này là nhờ hiệu suất của chúng được nâng cao trong khi kích thước nhỏ mà vẫn giữ vững đặc tính moment, công suất lớn.

Trong thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện động cơ axial flux BLDC giúp cho loại này phổ biến hơn, dễ chế tạo hơn và tận dụng được tính chất mật độ công suất cao Trong tương lai, dòng động cơ này được dự đoán sẽ thay thế radial flux motor trong một số lĩnh vực.

2.1.3.2 Phân loại theo thiết kế stator và rotor

Khi thiết kế rotor và stator, số lượng và vị trí là yếu tố ảnh hưởng lớn đến tính khả thi cũng như hiệu quả của động cơ Tùy theo lựa chọn số lượng rotor/stator là một, hai hoặc lớn hơn mà cấu hình động cơ có thể thay đổi nhiều hay ít Ở đây, ta sẽ chia ra hai dòng động cơ chính để phân tích, loại một với một cặp rotor/stator - đây là loại phổ biến nhất

và sẽ được xem như là mặc định khi ta nhắc đến ở phần sau của đồ án, và loại hai là loại với thiết kế rotor/stator kẹp, thường thấy ở loại đường sức từ dọc trục Một số động cơ BLDC có thể có nhiều hơn stator và rotor Tuy nhiên, các loại này thường ít được sử dụng nên chỉ được nhắc đến ở đây.

Động cơ BLDC với một cặp rotor/stator

Tùy theo cấu hình động cơ BLDC, cụ thể là với loại sắp xếp hướng trục - Radial Flux Motor, ta có thể thiết kế vị trí stator và rotor ở vòng ngoài hoặc trong Với rotor ở trong,

ta gọi loại này là Inrunner và ngược lại, Outrunner với rotor ở ngoài Nhìn chung, diện tích stator tiếp xúc với vỏ ngoài động cơ càng lớn, cuộn dây sẽ càng tản nhiệt tốt hơn bằng cách truyền nhiệt qua đó ra bên ngoài.

Hình 2.14 Một số cấu hình stator/rotor động cơ BLDC phổ biến

Vì thế, loại Inrunner với stator bao quanh phía ngoài có ưu điểm rõ rệt khi ta cần quan tâm tới nhiệt độ làm việc của động cơ Lúc đó, vấn đề duy nhất ta cần để ý đến là làm sao để làm mát cho vỏ động cơ càng hiệu quả càng tốt Bên cạnh đó, nếu cần phải sử dụng thêm hệ thống làm mát cho động cơ, việc thiết kế sẽ đơn giản hơn phần nào.

Với loại Outrunner, tiếp xúc vật lí duy nhất của stator là với trục động cơ Vì vậy, tản nhiệt thường cần phải dựa vào việc thiết kế khoét lỗ trên rotor để đưa dòng khí vào phía trong Ta khó có thể chỉ làm mát trục động cơ để từ đó giảm nhiệt độ stator Nếu sử dụng

hệ thống làm mát, thiết kế đưa dòng môi chất vào trong đi qua stator cũng khó khăn hơn

so với loại động cơ Inrunner Như vậy, khả năng tản nhiệt khi dùng loại động cơ trên là kém hơn Tuy nhiên, khi có rotor ở ngoài, moment của động cơ được tăng lên đáng kể ở

số vòng quay thấp Điều này cho động cơ BLDC loại Outrunner có tính ứng dụng vượt trội trong những ngành công nghệ đòi hỏi về moment, cụ thể như máy bay không người lái.

Với tất cả các loại động cơ, càng tăng thêm khối lượng rotor - thường thấy ở Outrunner hoặc Axial motor với nhiều đĩa rotor, thì vấn đề ổn định động học động cơ càng cần được chú ý vì lúc này ảnh hưởng của nó tăng lên nhiều hơn Nếu được sản xuất kém chính xác, phân bố khối lượng rotor sẽ trở nên không đồng đều Và khi chuyển động, rotor sẽ tác dụng có hại đến trục động cơ, đồng thời giảm hiệu suất làm việc.

Trên loại Axial, với chỉ một cặp rotor/stator, không có khác biệt nhiều khi thay đổi vị trí chúng Rotor và stator về cơ bản sẽ chỉ đổi chỗ trái phải hoặc trước sau cho nhau, tùy chiều quan sát Nói cách khác, hai sắp xếp chỉ là đối xứng nhau.

Động cơ BLDC với nhiều rotor/stator

Hai sắp xếp phổ biến với loại động cơ BLDC này là dual rotor single stator (2 rotor 1 stator) thường dùng trên Radial flux motor (và cả trên axial nếu muốn) và double stator single rotor (2 stator 1 rotor) phổ biến trên Axial flux motor Tuy vậy, việc dùng hai rotor kết hợp trong cách sắp xếp đầu tiên lại thường ít được sử dụng nói chung do quán tính tăng lên và yêu cầu cao hơn về độ ổn định - phân bố khối lượng của rotor Ngoài ra, dùng hai rotor còn vô tình đưa stator vào bên trong gây khó khăn cho việc tản nhiệt cho các cuộn dây.

Hình 2.15 Động cơ BLDC dạng radial flux với hai rotor