Các dạng động cơ DC đặc biệt: Động cơ DC không chổi than (BLDC)

Các dạng động cơ DC đặc biệt Động cơ DC khơng chổi than (BLDC) P0015301 5-SE-9 Bài 10 Nguyên lý • Động cơ BLDC mặc dù cĩ tên là “một chiều khơng chổi than” nhưng nĩ thuộc nhĩm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu • Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhĩm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) cĩ phần cảm là nam châm vĩnh cửu. • Chia thành 2 loại động cơ dựa vào dạng sĩng sức phản điện động stator của động cơ. – -Động cơ (sĩng) hình sin – -Động cơ (sĩng) hình thang • Động cơ BLDC là loại động cơ sĩng hình thang, những động cơ cịn lại là động cơ sĩng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor). • EMF cĩ dạng hình thang quyết định để xác định một động cơ BLDC chứ khơng phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), .v.v. Đặc điểm BLDC • Ưu điểm: – Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn. – Tỷ lệ cơng suất/ khối lượng máy điện cao. – Tỷ lệ mơmen/ quán tính lớn (cĩ thể tăng tốc nhanh). – Vận hành nhẹ nhàng (dao động của mơmen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác). – Mơmen điều khiển được ở vị trí bằng khơng. – Vận hành ở tốc độ cao. – Cĩ thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. – Hiệu suất cao. – Kết cấu gọn. • Nhược điểm – Giá thành cao – Được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạng xung vuơng và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor
khơng tự đổi chiều dịng điện như động cơ DC thơng thường – nam châm sắt từ dễ từ hĩa nhưng khả năng tích từ khơng 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. CẤU TẠO • Stator: – lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) – dây quấn
khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha thơng thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang • Rotor: khơng cĩ gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác. • Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động cĩ dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thơng thường của BLDC cần cĩ dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor để xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator Rotor Nam châm được đặt trên rotor của động cơ BLDC: (a,b,c) nam châm dán bề mặt ngồi, (d,e,f,g) nam châm đặt bên trong rotor. Brushless DC Motor 100 N S R B r r g g b b G com com com 110 010 011 101 001 R GB N S PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Quá trình kích đĩng 6 bước +V PWM1H PWM1L 3 Phase BLDC PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L Sector 5 0 1 2 3 4 5 0 1 +V PWM1H PWM1L 3 Phase BLDC PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L Sector 5 0 1 2 3 4 5 0 1 Quá trình kích đĩng 6 bước +V PWM1H PWM1L 3 Phase BLDC PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L Sector 5 0 1 2 3 4 5 0 1 Quá trình kích đĩng 6 bước +V PWM1H PWM1L 3 Phase BLDC PWM2H PWM2L PWM3H PWM3L Sector 5 0 1 2 3 4 5 0 1 Quá trình kích đĩng 6 bước 4 Amps Peak Fixed Speed 1000 RPM Giản đồ Hall sensor và dịng điện ngõ ra tổng Quỹ đạo từ thơng stator khi khơng tải và cĩ tải THAY ĐỔI TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP TRUNG BÌNH PHA
ĐIỀU CHẾ PWM • Điện áp cung cấp cho bộ khĩa cơng suất khơng đổi, tuy nhiên điện áp ra khỏi bộ khĩa đến động cơ thay đổi theo thuật tốn điều khiển. • Phương pháp PWM cĩ thể dùng cho khĩa trên, khĩa dưới hay đồng thời cả hai khĩa trên và dưới cùng lúc. PWM1H Hall Effect Sensors PWM1L BLDC Motor cĩ điều chế PWM ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP HÌNH SIN cịn được gọi là điều khiển AC khơng chổi than (brushless AC)
giảm tiếng ồn cĩ thể nghe thấy được,
giảm gợn sĩng mơmen do dạng sĩng điện áp
dịng điện ra ít bị gợn sĩng. ĐIỀU KHIỂN KHƠNG CẢM BIẾN 2 kỹ thuật điều khiển khơng cảm biến:
xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ
ước lượng vị trí dùng các thơng số của động cơ, các giá trị điện áp và dịng điện trên động cơ EMF hồi tiếp v/s Hall sensors Back EMF Hall sensor ĐIỀU KHIỂN VỊNG 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 PID BLDC+ - Tốc độ mong muốn Tốc độ hồi tiếp Sai số tốc độ Voltage Khall Hall Sensor PID số + - Tốc độ đặt Tốc độ hồi tiếp Error Điện áp Kp * Error + + Up Ui Ki * ∫Error dt Kd * dError dt + Ud PID số • Up(T) = Kp * Error(T) • Ui(T) = Ki * Error(T) + Ui(T-1) • Ud(T) = Kd * (Error(T) – Error(T-1)) Voltage(T) = Up(T) + Ui(T) + Ud(T) Kp * Error Ki * ∫Error dt Kd * dError dt PID số mở rộng Kp * Error Ki * ∫Error dt Kd dError dt Kp * Error Kd * (1 – Z ) * Error-1 Ki 1 - Z -1 * Error + + + PID số mở rộng Kp * Error Kd * (1 – Z ) * Error-1 Ki 1 - Z -1 * Error + + + Error * Kp + Ki 1 - Z -1 + Kd (1 – Z ) -1 Optional Digital PID Error * Kp + Ki 1 - Z-1 + Kd (1 – Z )-1 = Controller Output Error * 1 - Z-1 = Controller Output Kp (1 – Z )-1 + Ki + Kd (1 – Z )-1 2 Error * 1 - Z-1 = Controller Output (Kp + Ki + Kd) + (-Kp - 2*Kd) Z + Kd*Z-1 -2 PID số mở rộng Error * 1 - Z-1 = Ngõ ra bộ ĐK (Kp + Ki + Kd) + (-Kp - 2*Kd) Z + Kd*Z-1 -2 Error = Error (T) Error * Z = Error (T-1) Error * Z = Error (T-2)-2 -1 Sai số gần nhất Sai số ít nhất Ngõ ra bộ điều khiển (T) = Ngõ ra bộ điều khiển (T – 1) + Error (T) * K1 + Error (T-1) * K2 + Error (T-2) * K3 Với: K1 = Kp + Ki + Kd K2 = -Kp -2Kd K3 = Kd Error * 1 - Z-1 = Ngõ ra bộ điều khiển (Kp + Ki + Kd) + (-Kp - 2*Kd) Z + Kd*Z-1 -2 PID số mở rộng ỨNG DỤNG • Điều khiển đĩng ngắt cĩ độ chính xác cao, mơi trường dễ cháy nổ, khơng đuợc bảo trì thường xuyên. • Giao thơng vận tải. • Giải trí.