TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
Động cơ điện một chiều có nhược điểm chính là hệ thống cổ góp-chổi than dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì thường xuyên, dẫn đến vận hành không đáng tin cậy và không an toàn trong môi trường rung chấn hoặc dễ cháy nổ Để khắc phục những vấn đề này, động cơ một chiều không chổi than (BLDC) đã được phát triển, sử dụng thiết bị bán dẫn thay thế cho cổ góp và chổi than Động cơ BLDC giữ lại tính chất của động cơ một chiều có chổi than nhưng không tạo ra tia lửa điện, cho phép hoạt động an toàn trong mọi điều kiện môi trường và khắc phục hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều truyền thống.
Hình 1.1: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC
Động cơ một chiều không chổi than có cấu tạo khá giống với động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu
Hình 1.2: Các thành phần của động cơ một chiều không chổi than
Cấu tạo chính của động cơ BLDC bao gồm các thành phần sau:
Rotor là bộ phận quay của động cơ, bao gồm các nam châm vĩnh cửu được sắp xếp xen kẽ giữa các cực Bắc và Nam Số lượng đôi cực dao động từ 2 đến 8, với các cực Bắc (N) và Nam (S) được bố trí đan xen Rotor được gắn trên trục động cơ và quay quanh trục này khi động cơ hoạt động.
Hình 1.3: Rotor của động cơ BLDC
Stator là phần tĩnh của động cơ, chứa các cuộn dây quấn phần ứng Đối với động cơ một chiều không chổi than, thường có 3 cuộn dây được đấu nối theo hình sao hoặc tam giác Mỗi cuộn dây bao gồm nhiều bối dây liên kết với nhau, được đặt trong các khe và kết nối thành một cuộn dây hoàn chỉnh Những cuộn dây này được sắp xếp thành các cuộn dây xoắn và đặt trong các khe của stator Khi dòng điện chạy qua, các cuộn dây tạo ra một trường từ, tương tác với rotor để tạo ra lực.
Hình 1.4: Stator của động cơ BLDC
CẢM BIẾN HALL
Cảm biến Hall được lắp trên stator của động cơ để phát hiện nam châm vĩnh cửu trên rotor Khi các cực nam châm của rotor di chuyển qua cảm biến, chúng sẽ phát tín hiệu cao hoặc thấp tương ứng với cực Bắc hoặc cực Nam Từ các tín hiệu này, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định Đặc điểm nổi bật của động cơ điện xoay chiều so với động cơ BLDC là việc sử dụng bộ cảm biến vị trí rotor để tạo ra tín hiệu điều khiển chuyển mạch.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ĐỘNG CƠ BLDC
Để động cơ BLDC hoạt động hiệu quả, cần xác định chính xác vị trí của rotor nhằm điều khiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn và cấp nguồn cho các cuộn dây stator theo trình tự hợp lý Mỗi trạng thái chuyển mạch sẽ có một cuộn dây (pha A) được cấp điện dương, cuộn dây thứ hai (pha B) được cấp điện âm, trong khi cuộn dây thứ ba (pha C) không được cấp điện Momen quay được sinh ra từ sự tương tác giữa từ trường của các cuộn dây stator và nam châm vĩnh cửu Momen lớn nhất đạt được khi hai từ trường lệch nhau 90 độ, và giảm dần khi chúng di chuyển Để duy trì động cơ quay, từ trường của các cuộn dây stator cần quay "đồng bộ" với từ trường của rotor một góc α.
Hình 1.6: Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây stator
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN
MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ
Hình 2 1: Mô hình động cơ BLDC
Mô hình mạch điện của động cơ BLDC được thể hiện trong hình 3.1, bao gồm ba cuộn dây stator với điện trở 𝑅 𝑎, 𝑅 𝑏, 𝑅 𝑐 và điện cảm 𝐿 𝑎, 𝐿 𝑏, 𝐿 𝑐 Ba cuộn dây này đặt cạnh nhau dẫn đến hiện tượng hỗ cảm, được mô tả qua đại lượng M.
Rotor của động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu, khi quay sẽ tạo ra sự tương tác giữa từ trường của rotor và cuộn dây stator Các đại lượng 𝐸 𝑎, 𝐸 𝑏, 𝐸 𝑐 thể hiện sự tương tác này dưới dạng sức phản điện động EMF hình thang, với biên độ của chúng bằng nhau và đều bằng E.
Từ mô hình mạch điện ta có phương trình điện áp mỗi pha của động cơ:
(2 1) Với 𝑀 𝑎𝑏 , 𝑀 𝑏𝑐 , 𝑀 𝑐𝑎 là hỗ cảm giữa các cuộn dây
Ta có phương trình điện áp ba pha của động cơ:
Do các pha đối xứng nhau nên điện trở, điện cảm, hỗ cảm của cả 3 cuộn dây đều bằng nhau
Do các cuộn dây của stator đấu sao nên:
(2 5) Kết hợp hai biểu thức (2.3) và (2.5), ta có mô hình toán học động cơ BLDC được biểu diễn như sau:
Từ đó ta có mô hình thu gọn của động cơ BLDC:
Hình 2 2: Mô hình rút gọn của động cơ Sức phản điện động trong cuộn dây A là:
- 𝜃 𝑒 : vị trí góc lệch điện của roto, [rad]
- Ke: hệ số sức điện động, [Vs/rad]
Tương tự, ta có sức phản điện động trong cuộn dây B và C là:
MOMENT ĐIỆN TỬ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN
Momen điện từ của động cơ được xác định qua mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện Trong động cơ, lực ma sát chủ yếu xảy ra giữa trục và ổ đỡ, với mức độ ma sát rất nhỏ Hơn nữa, vật liệu chế tạo động cơ có điện trở suất cao cho phép bỏ qua các tổn hao như tổn hao sắt và đồng Do đó, công suất điện cung cấp cho động cơ tương đương với công suất cơ tại đầu trục.
Với 𝜔 𝑚 là tốc độ của động cơ, công suất cơ được tính theo biểu thức:
(2 10) Công suất điện được tính theo biểu thức:
(2 11) Cân bằng công suất, ta được:
- 𝑃 𝑐 : công suất cơ của động cơ, [W]
- 𝑃 đ : công suất điện của động cơ, [W]
- 𝑒 𝑘 : sức phản điện động của các cuộn dây (a,b,c), [V]
- 𝜔 𝑚 : tốc độ cơ của roto, [rad/s]
- 𝜔 𝑒 : tốc độ điện của roto, [rad/s]
- 𝜓 𝑟𝑘 : liên kết từ thông roto của các pha k (a,b,c), [Vs]
- 𝜃 𝑒 : vị trí góc lệch điện của roto, [rad]
- 𝜃 𝑚 : vị trí góc lệch cơ của roto, [rad]
Phương trình mô tả quan hệ điện - cơ:
- TL: momen xoắn của tải, [Nm]
- B: hệ số ma sát, [Nms]
Mô hình hóa trên trục tọa độ α, β
Từ hình vẽ, ta có thể thiết lập công thức chuyển hệ tọa độ:
Từ đây, ta tiến hành mô hình hóa động cơ, Laplace 2 vế các phương trình ta thu được kết quả như sau:
Từ các công thức trên, ta có mô hình động cơ trong hệ tọa độ cố định α, β như sau:
Hình 2 4: Mô hình hóa động cơ BLDC
ĐIỀU CHẾ VECTOR ĐIỆN ÁP KHÔNG GIAN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN
Đối tượng điều khiển là động cơ không chổi than (BLDC), vì vậy cấu trúc nghịch lưu 3 pha được sử dụng, được thể hiện như hình dưới đây
Cấu trúc nghịch lưu 3 pha không cho phép bật đồng thời các nhánh trên và dưới của mỗi nửa cầu, cũng như các nhánh trên hoặc dưới của các nửa cầu Trong đó, trạng thái "1" biểu thị cho việc bật và "0" cho việc tắt Với cấu trúc này, có tổng cộng 6 trường hợp hoạt động của mạch, tương ứng với 3 nhánh van, bao gồm 6 vector trạng thái: V1(100001), V2(001001), V3(011000), V4(010010), V5(000110), V6(100100) và vector không V0(000000).
Hình 2 6: Trạng thái đóng mở của các khóa Bảng tóm tắt:
Trạng thái của các khóa Điện áp pha Điện áp dây
S1 S2 S3 S4 S5 S6 Va Vb Vc Vab Vbc Vca
Bảng 1: Bảng trạng thái của các khóa Ghi chú: Độ lớn điện áp phải nhân với VDC
Do đó, vòng vector điện áp được chia thành 6 khu vực và biểu đồ vector điện áp cơ bản được hình thành
Hình 2 7: Biểu đồ vector điện áp cơ bản Ngoài ra, chúng ta còn có trường hợp đặc biệt là vector V0 = 0
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC)
Đối với bài toán điều khiển động cơ không chổi than, DTC được vận hành như sau:
1 Đo lường: Từ động cơ bước lai mô phỏng, chúng ta sẽ thu được thông tin điện áp, dòng điện pha của stator, tốc độ quay cơ của roto
2 Chuyển hệ tọa độ từ abc sang hệ tọa độ αβ0: qua phép biến đổi Clark ta thu được dòng isα, isβ, vsα, vsβ
3 Mạch vòng điều khiển tốc độ: Với tốc độ phản hồi từ động cơ và tốc độ đặt ta tính toán ra sai số, sai số này được đưa vào bộ điều khiển PI và tính ra momen đặt vào stato 𝑇 𝑒 ∗
4 Mạch vòng điều khiển từ thông stato: Từ các giá trị iα, iβ, vα, vβ, ta tính toán được ước lượng từ thông stator và vị trí góc điện của roto
Giá trị từ thông stator được so sánh với các giá trị ước lượng để xác định sai lệch từ thông Sai số này được đưa vào khối trạng thái với ba mức độ trễ Đầu ra của khối trạng thái (H_F) sử dụng các trạng thái gián đoạn cùng với vị trí của các vector từ thông stator và sai lệch từ thông để tra cứu trong bảng Độ rộng của dải trễ quyết định độ chính xác trong việc điều khiển.
5 Mạch vòng điều khiển momen: Từ các giá trị 𝜓 𝑠𝛼 , 𝜓 𝑠𝛽 , 𝑖 𝑠𝛼 , 𝑖 𝑠𝛽 , ta tính toán ra được ước lượng momen
Giá trị đặt của momen được so sánh với các giá trị ước lượng tương ứng Sai lệch từ momen được đưa vào khối trạng thái với độ trễ hai mức, và đầu ra của khối trạng thái trễ được ký hiệu là H_T.
Lấy 20 trạng thái gián đoạn và đưa vào bảng tra, sai số của momen nằm trong dải trễ tương ứng Độ rộng của dải này quyết định độ chính xác của quá trình điều khiển.
6 Lựa chọn vector điện áp: Từ các tín hiệu trạng thái H_F, H_T và vị trí các vector từ thông stator, ta chọn vector điện áp để điều khiển
Bảng 2: Bảng lựa chọn vector điện áp
7 Khi động cơ hoạt động, ta tiếp tục đo các thông số có được từ động cơ và phản hổi lại các mạch vòng điều khiển, quá trình này diễn ra liên tục tới khi nào hết thời gian mô phỏng và ta nhận được kết quả như ý
Cấu trúc điều khiển DTC được mô tả bằng hình ảnh dưới đây:
Hình 2 8: Cấu trúc điều khiển DTC
THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN
Bộ điều khiển PI, viết tắt của Proportional-Integral, là một trong những loại bộ điều khiển phổ biến nhất trong hệ thống điều khiển tự động Nó kết hợp hai thành phần chính là tỷ lệ và tích phân, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển và ổn định hệ thống.
Bộ điều khiển PI bao gồm hai phần chính: Proportional và Integral Thành phần Proportional điều chỉnh đầu ra dựa trên sự khác biệt giữa giá trị đầu vào và giá trị đặt trước, trong khi thành phần Integral tích lũy sai số trong một khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh đầu ra Bộ điều khiển này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như điều khiển nhiệt độ, áp suất và vận tốc Sử dụng các thông số thích hợp, bộ điều khiển PI không chỉ cải thiện độ ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển tự động mà còn giúp giảm thiểu dao động và tối ưu hoá các thông số điều khiển.
2.5.1 Cấu trúc bộ điều khiển PI
Phương trình mô tả quan hệ điện - cơ:
(2 38) Viết dưới dạng toán tử Laplace:
Để tạo ra dòng điều khiển vận tốc độc lập, cần tách rời ảnh hưởng của suất phản điện động, coi đó như một tín hiệu nhiễu không đáng kể Trong thực tế, để đạt được kết quả điều khiển cho mạch vòng tốc độ, hệ thống phải thực hiện nhiều phép tính và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Do đó, việc bổ sung khâu quán tính bậc nhất 𝑇D là cần thiết Kết quả là ta sẽ có cấu trúc điều khiển PI cho mạch vòng tốc độ.
2.5.2 Tính toán thông số bộ điều khiển PI
Có nhiều phương pháp để tính toán thông số PI, bao gồm Ziegler-Nichols và Cohen-Coon Trong đồ án này, chúng tôi áp dụng phương pháp chuẩn tối ưu để đạt được kết quả chính xác hơn.
22 module, phương pháp này giúp hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tấn số thấp và trung bình rất tốt
Hàm chuẩn module tối ưu là hàm có dạng:
1 + 2 𝜏 0 + 2 𝜏 0 𝑝 2 Khi đó, giả sử ta có hệ thống như sau:
(1+𝑇 1 𝑝).(1+𝑇 2 𝑝)) thì hệ số của bộ điều khiển R(p) là:
(2 41) Xét với mạch vòng tốc độ ta có:
TD = 10 -3 – thời gian trễ của mạch vòng tốc độ, [ms]
CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ
Trong đồ án này, chúng em sử dụng khối Permanent Magnet Synchronous Machine trong Mathlab Simulink để mô phỏng động cơ không chổi than
Thông qua mô phỏng, ta có các thông số của động cơ như sau:
2 B – Hệ số ma sát, [Nms] 0.01
4 R – Điện trở của cuộn dây pha stato, [] 2.875
5 Ls – Độ tự cảm pha stato, [H] 0.0085
6 Tn – Momen xoắn định mức, [Nm] 0.2
7 Vdc – Điện áp DC nguồn cấp cho inverter 120
8 𝜓 ∗ - Từ thông đặt stator, [Vs] 0.2368
9 rpmmax – Tốc độ cực đại của động cơ, [vòng/phút] 1600
Bảng 3: Thông số của động cơ
MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG CHỔI THAN (BLDC)
Ta thực hiện các bước sau:
1 Tính toán giá trị ước lượng 𝜓 (𝐹𝑙𝑢𝑥), 𝑇 𝑒 (𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒) 𝑣à 𝜃 (𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒)
Hình 3 1: Khối tính toán các giá trị ước lượng 𝜓, 𝑇 𝑒 𝑣à 𝜃
2 Xác định sector mà từ thông stator đang ở
Hình 3 2: Khối xác định sector
3 Tìm các giá trị sai lệch momen và từ thông, đưa ra các tín hiệu trạng thái
Hình 3 3: Khối tính toán sai lệch
4 Thông qua bảng, ta thu được các tín hiệu mở van của từng nhánh
Hình 3 4: Lựa chọn tín hiệu mở van
Hình 3 5: Cấu trúc mạch lực
5 Tiến hành mô phỏng và theo dõi kết quả, hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển PI nếu cần Để thực mô phỏng ta chọn TL – Momen xoắn của tải, [Nm] có giá trị là TL = Tn 0.02 và tốc độ từ 0 lên rpmref = 1000 vòng/phút Ta tiến hành mô phỏng trên Mathlab
27 Hình 3 6: Mô phỏng điều khiển tốc độ cho động cơ BLDC
Ta thu được kết quả như sau:
28 Hình 3 7: Kết quả mô phỏng dòng điện stator, tốc độ, momen và suất phản điện động ở pha A
Hình 3 8: Hình ảnh liên kết từ thông stator Kịch bản tốc độ thay đổi:
Ta thay đổi tốc độ đặt từ 1000 vòng/ phút, sau 0.5s tăng lên 1200 vòng/phút, sau 1s giảm xuống 800 vòng/phút
Ta thu được kết quả sau:
30 Hình 3 9: Kết quả mô phỏng khi thay đổi tốc độ đặt