Các dạng ñộng cơ DC ñặc biệt

Động cơ DC không chổi than (BLDC)

P0015301 5--SESE--9 B9 Bàài 10i 10 P0015301 5

Nguyên lý

• Động cơ BLDC mặc dù có tên là “một chiều không chổi than” nhưng

nó thuộc nhóm ñộng cơ ñồng bộ nam châm vĩnh cửu

• Động cơ ñồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm ñộng cơ xoay chiều ñồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc ñộ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu.

• Chia thành 2 loại ñộng cơ dựa vào dạng sóng sức phản ñiện ñộng

stator của ñộng cơ. – -Động cơ (sóng) hình sin – -Động cơ (sóng) hình thang

• Động cơ BLDC là loại ñộng cơ sóng hình thang, những ñộng cơ còn lại là ñộng cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor).

• EMF có dạng hình thang quyết ñịnh ñể xác ñịnh một ñộng cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch ñiện tử (Electronic Commutator), .v.v.

Đặc ñiểm BLDC

– Mật ñộ từ thông khe hở không khí lớn. – Tỷ lệ công suất/ khối lượng máy ñiện cao. – Tỷ lệ mômen/ quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). – Vận hành nhẹ nhàng (dao ñộng của mômen nhỏ) thậm chí ở tốc ñộ thấp (ñể ñạt

ñược ñiều khiển vị trí một cách chính xác). – Mômen ñiều khiển ñược ở vị trí bằng không. – Vận hành ở tốc ñộ cao. – Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. – Hiệu suất cao. – Kết cấu gọn.

• Ưu ñiểm:

– Giá thành cao – Được ñiều khiển bằng một bộ ñiều khiển với ñiện ngõ ra dạng xung vuông và

cảm biến Hall ñược ñặt bên trong ñộng cơ ñể xác ñịnh vị trí rotor (cid:1) không tự ñổi chiều dòng ñiện như ñộng cơ DC thông thường

– nam châm sắt từ dễ từ hóa nhưng khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và ñặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt ñộ. Nhưng với loại nam châm hiếm như hiện nay thì nhược ñiểm này ñã ñược cải thiện ñáng kể.

• Nhược ñiểm

CẤU TẠO

– lõi sắt (các lá thép kĩ thuật ñiện ghép

cách ñiện với nhau)

– dây quấn (cid:1) khác so với cách quấn dây ñộng cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản ñiện ñộng dạng hình thang

• Stator:

• Rotor: không có gì khác so với các ñộng cơ nam châm vĩnh cửu khác.

• Hall sensor: do ñặc thù sức phản ñiện ñộng có dạng hình thang nên cấu hình ñiều khiển thông thường của BLDC cần có dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor ñể xác ñịnh vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator

Rotor

Nam châm ñược ñặt trên rotor của ñộng cơ BLDC: (a,b,c) nam châm dán bề mặt ngoài, (d,e,f,g) nam châm ñặt bên trong rotor.

Brushless DC Motor

100

R

R

com

r

b

110

101

N N

com

g

g

B

S

S

b

001

010

r

G

G

com

B

011

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Quá trình kích ñóng 6 bước

+V

PWM1H

PWM2H

PWM3H

3 Phase BLDC

PWM2L

PWM3L

PWM1L

2

5

3

0

Sector

4

0

1

5

1

Quá trình kích ñóng 6 bước

+V

PWM1H

PWM2H

PWM3H

3 Phase BLDC

PWM2L

PWM3L

PWM1L

2

5

3

0

Sector

4

0

1

5

1

Quá trình kích ñóng 6 bước

+V

PWM1H

PWM2H

PWM3H

3 Phase BLDC

PWM2L

PWM3L

PWM1L

2

5

3

0

Sector

4

0

1

5

1

Quá trình kích ñóng 6 bước

+V

PWM1H

PWM2H

PWM3H

3 Phase BLDC

PWM2L

PWM3L

PWM1L

2

5

3

0

Sector

4

0

1

5

1

Giản ñồ Hall sensor và dòng ñiện ngõ ra tổng

Fixed Speed 1000 RPM

4 Amps Peak

Quỹ ñạo từ thông stator khi không tải và có tải

THAY ĐỔI TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP TRUNG BÌNH PHA (cid:1) ĐIỀU CHẾ PWM

• Điện áp cung cấp cho bộ khóa công suất không ñổi, tuy nhiên ñiện áp ra khỏi bộ khóa ñến ñộng cơ thay ñổi theo thuật toán ñiều khiển.

• Phương pháp PWM có thể dùng cho khóa trên, khóa dưới hay ñồng thời cả hai khóa trên và dưới cùng lúc.

BLDC Motor có ñiều chế PWM

Hall Effect Sensors

PWM1H

PWM1L

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP HÌNH SIN

còn ñược gọi là ñiều khiển AC không chổi than (brushless AC) (cid:1)giảm tiếng ồn có thể nghe thấy ñược, (cid:1)giảm gợn sóng mômen do dạng sóng ñiện áp (cid:1)dòng ñiện ra ít bị gợn sóng.

ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN

2 kỹ thuật ñiều khiển không cảm biến:

(cid:1) xác ñịnh vị trí rotor dựa vào sức ñiện ñộng của ñộng cơ (cid:1) ước lượng vị trí dùng các thông số của ñộng cơ, các giá trị ñiện áp và dòng ñiện trên ñộng cơ

EMF hồi tiếp v/s Hall sensors

Back EMF

Hall sensor

ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN ĐỘNG CƠ BLDC

BỘ ĐIỀU KHIỂN PI(D)

• Proportional-Integral-Differential

• Set Point - Process Variable = Error

• Control Variable = Output

• CV = Pe + I ∫e dt + D de/dt

Closed Loop

Tốc ñộ mong muốn

Sai số tốc ñộ

Voltage

+ -

PID BLDC

Tốc ñộ hồi tiếp

Hall Sensor

Khall

PID số

Up

Kp * Error

Ui

Tốc ñộ ñặt

Error

Điện áp

+ -

Ki * ∫Error dt

+ + +

Tốc ñộ hồi tiếp

Ud

dError

Kd * dt

PID số

• Up(T) = Kp * Error(T)

• Ui(T) = Ki * Error(T) + Ui(T-1)

Kp * Error

• Ud(T) = Kd * (Error(T) – Error(T-1))

Ki * ∫Error dt

dError

Voltage(T) = Up(T) + Ui(T) + Ud(T)

Kd * dt

PID số mở rộng

Kp * Error Kp * Error

Ki

-1 * Error

Ki * ∫Error dt 1 - Z

+ + +

-1

dError Kd * (1 – Z ) * Error Kd dt

PID số mở rộng

Kp * Error

Ki Ki

-1 + Kd (1 – Z )

Error * Kp +

-1 * Error

1 - Z

+ + +

-1 1 - Z

-1

Kd * (1 – Z ) * Error

Optional Digital PID

KiKi

--11 + Kd (1 –– Z )Z )

= Controller Output = Controller Output

Error * Kp +Kp + Error *

--11 + Kd (1

1 1 -- ZZ

Kp (1 –– Z )Z )--11 Kp (1

Error * Error *

= Controller Output = Controller Output

Kd (1 –– Z )Z )--11 22 + Ki + Kd (1 + Ki + --11 1 1 -- ZZ

Error * Error *

= Controller Output = Controller Output

--22 --11 (Kp + Ki + Kd) + (--Kp Kp -- 2*Kd) Z + Kd*Z 2*Kd) Z + Kd*Z (Kp + Ki + Kd) + ( --11 1 1 -- ZZ

PID số mở rộng

-1

-2 (Kp + Ki + Kd) + (-Kp - 2*Kd) Z + Kd*Z

Error *

= Ngõ ra bộ ĐK

-1 1 - Z

Error = Error (T)

Sai số gần nhất

-1

Error * Z = Error (T-1)

-2

Sai số ít nhất

Error * Z = Error (T-2)

PID số mở rộng

-1

-2 (Kp + Ki + Kd) + (-Kp - 2*Kd) Z + Kd*Z

Error *

= Ngõ ra bộ ñiều khiển

-1 1 - Z

Ngõ ra bộ ñiều khiển (T) = Ngõ ra bộ ñiều khiển (T – 1)

+ Error (T) * K1 + Error (T-1) * K2 + Error (T-2) * K3

Với: K1 = Kp + Ki + Kd K2 = -Kp -2Kd K3 = Kd

ỨNG DỤNG

• Điều khiển ñóng ngắt có ñộ chính xác cao, môi trường dễ cháy nổ, không ñuợc bảo trì thường xuyên. • Giao thông vận tải. • Giải trí.