TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC
Động cơ một chiều (ĐCMC) thường có hiệu suất cao và phù hợp cho các truyền động servo, nhưng hạn chế lớn nhất là cần có cổ góp và chổi than, dẫn đến việc dễ bị mòn và cần bảo trì thường xuyên Để khắc phục nhược điểm này, động cơ không cần bảo dưỡng đã được phát triển bằng cách thay thế cổ góp và chổi than bằng công nghệ chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn, như biến tần với transistor công suất Những động cơ này được gọi là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hay động cơ một chiều không chổi than (BLDC) Nhờ không có cổ góp và chổi than, động cơ BLDC khắc phục hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều truyền thống.
So sánh BLDC với động cơ một chiều thông thường:
Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC
Mặc dù động cơ BLDC và ĐCMC thường được cho là có đặc tính tĩnh tương tự, nhưng thực tế chúng có những khác biệt quan trọng Khi so sánh hai loại động cơ này, sự khác nhau về công nghệ thường nổi bật hơn sự giống nhau Bảng 1.1 trình bày ưu nhược điểm của cả hai loại động cơ Trong chức năng của động cơ điện, dây quấn và quá trình đổi chiều đóng vai trò quan trọng Đổi chiều là việc biến đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều và phân phối chính xác tới các dây quấn của động cơ Đối với động cơ một chiều thông thường, quá trình này được thực hiện bởi cổ góp và chổi than, trong khi động cơ một chiều không chổi than sử dụng các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET, GTO và IGBT để thực hiện đổi chiều.
Bảng 1.1: So sánh động cơ BLDC với ĐCMC thông thường
Nội dung ĐCMC thông thường ĐCMC không chổi than
Mạch kích từ nằm trên stato
Mạch khích từ nằm trên roto
Tính năng đặc biệt Đáp ứng nhanh và dễ điều khiển Đáp ứng chậm hơn Dễ bảo dƣỡng (thường không yêu cầu bảo dưỡng)
Sơ đồ nối dây Nối vòng tròn Đơn giản nhất là nối Δ
Cao áp :Ba pha nối Y hoặc Δ Bình thường :Dây cuốn 3 pha nối Y có điểm trung tính nối đất hoặc 4 pha Đơn giản nhất : nối 2 pha
Tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp
Chuyên mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn nhƣ trasitor,IGBT Phương pháp xác định vị trí roto
Tự động xác định bằng chổi than
Sử dụng cảm biến vị trí :phần tử Hall, cảm biến quang học (otical encoder)
Phương pháp đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn (cấp cho phần ứng hoặc mạch kích từ)
Sắp xếp lại thứ tự của các tín hiệu logic
CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC
Động cơ một chiều không chổi than có cấu tạo tương tự như động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 1.1 minh họa cấu trúc của một động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình.
Hình 1.2: Sơ đồ khối động cơ BLDC
Dây quấn stator của động cơ một chiều không chổi than tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha, trong khi rotor sử dụng một hay nhiều nam châm vĩnh cửu Sự khác biệt chính giữa động cơ một chiều không chổi than và động cơ xoay chiều đồng bộ là việc sử dụng các phương tiện xác định vị trí rotor, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển mạch điện tử Như thể hiện trong hình 1.2, động cơ một chiều không chổi than là sự kết hợp giữa động cơ xoay chiều đồng bộ với bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử theo vị trí rotor.
Việc xác định vị trí rotor chủ yếu được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, trong đó cảm biến Hall là phổ biến nhất, bên cạnh đó một số động cơ còn sử dụng cảm biến quang học Mặc dù động cơ ba pha thường được ưa chuộng trong các ứng dụng chính thống và có năng suất cao, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng rộng rãi nhờ cấu trúc và mạch truyền động đơn giản.
Khác với động cơ một chiều thông thường, động cơ một chiều không chổi than có stator chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng này có thể là hai pha, ba pha hoặc nhiều pha, nhưng thường gặp nhất là dây quấn ba pha.
Dây quấn ba pha có hai sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác Δ
Hình 1.3: Stato của động cơ BLDC
Stator của động cơ BLDC được làm từ các lá thép kỹ thuật điện, với cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong Cấu trúc của stator tương tự như động cơ cảm ứng khác, nhưng các cuộn dây được phân bố khác nhau Hầu hết động cơ một chiều không chổi than có ba cuộn dây đấu theo hình sao hoặc hình tam giác, mỗi cuộn dây bao gồm nhiều bối dây nối liền với nhau Các bối dây này được đặt trong các khe và kết nối để tạo thành cuộn dây Sự phân bố của các cuộn dây trên chu vi stator theo trình tự thích hợp tạo ra số chẵn các cực, và cách bố trí cùng số rãnh của stator quyết định số cực của động cơ.
Sự khác biệt trong cách nối các bối dây trong cuộn dây stator dẫn đến hình dạng khác nhau của sức phản điện động trong động cơ BLDC, bao gồm hai dạng chính là hình sin và hình thang Do đó, động cơ được phân loại thành động cơ BLDC hình sin và động cơ BLDC hình thang, với dòng điện pha tương ứng cũng có hình dạng tương tự Mặc dù động cơ hình sin tạo ra momen mượt mà hơn, nhưng giá thành cao hơn do yêu cầu thêm các bối dây.
Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha, với số cuộn dây tương ứng là 1, 2 và 3 Động cơ hình thang thường rẻ hơn nhưng có đặc tính momen không ổn định do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động lớn hơn Đối với việc chọn động cơ, cần cân nhắc khả năng cấp công suất điều khiển và tỷ lệ điện áp; động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V thường được sử dụng trong máy tự động, robot và các chuyển động nhỏ, trong khi động cơ trên 100V phù hợp cho các thiết bị công nghiệp và tự động hóa.
1.2.2 Roto Đƣợc gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng
Rotor đƣợc cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu.Số lƣợng đôi cực dao động từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau
Hình 1.5: Roto của động cơ BLDC
Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, việc chọn chất liệu nam châm phù hợp là rất quan trọng Nam châm Ferrite thường được sử dụng vì giá thành rẻ, nhưng mật độ từ thông trên đơn vị thể tích của nó lại thấp Ngược lại, nam châm làm từ hợp kim ngày càng trở nên phổ biến nhờ có mật độ từ cao hơn, cho phép thu nhỏ kích thước rotor mà vẫn duy trì momen tương tự Do đó, trong cùng một thể tích, rotor sử dụng nam châm hợp kim luôn đạt momen lớn hơn so với rotor sử dụng nam châm Ferrite.
Hình 1.6: Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than
1.2.3 Cảm biến vị trí Hall sensor
Động cơ một chiều không chổi than khác biệt so với động cơ một chiều dùng chổi than ở chỗ việc điều khiển chuyển động được thực hiện bằng điện tử Các cuộn dây của stator nhận điện năng thông qua việc chuyển mạch của các van bán dẫn công suất, và điện được cấp cho các cuộn dây theo thứ tự xác định dựa trên vị trí của rotor Để động cơ hoạt động hiệu quả, cần phải biết chính xác vị trí của rotor, từ đó xác định cuộn dây stator nào sẽ được cấp điện tiếp theo Vị trí rotor thường được đo bằng các cảm biến hiệu ứng Hall, được lắp đặt ẩn bên trong stator, thường ở phần đuôi trục của động cơ.
Khi các cực nam châm của rotor đi qua gần các cảm biến Hall, chúng sẽ gửi tín hiệu cao hoặc thấp tương ứng với sự xuất hiện của cực Bắc hoặc cực Nam Tổ hợp tín hiệu từ ba cảm biến Hall giúp xác định thứ tự chuyển mạch chính xác Các cảm biến này hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, trong đó dòng điện chạy qua một vật dẫn trong từ trường sẽ tạo ra lực đẩy lên các điện tích, khiến chúng di chuyển về một phía Số lượng điện tích bị đẩy phụ thuộc vào mức độ ảnh hưởng của từ trường, dẫn đến sự xuất hiện hiệu điện thế giữa hai mặt của vật dẫn, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Hall, được đặt theo tên người phát hiện ra nó.
Hình 1.8: Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang
Hình 1.8 minh họa mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than, với rotor được trang bị nam châm vĩnh cửu Cảm biến Hall được lắp đặt trong phần stator của động cơ, tuy nhiên, việc này đòi hỏi sự chính xác cao vì bất kỳ sự mất cân đối nào cũng có thể gây ra sai số trong hoạt động của động cơ.
Để đơn giản hóa việc gắn cảm biến lên stator, một số động cơ có nam châm phụ của cảm biến Hall gắn trên rotor, bổ sung cho nam châm chính Nam châm phụ này hoạt động như phiên bản thu nhỏ của nam châm trên rotor, tạo ra hiệu ứng tương tự khi rotor quay Các cảm biến Hall thường được lắp trên mạch in và cố định trên nắp động cơ, cho phép người dùng điều chỉnh vị trí lắp ráp để căn chỉnh với nam châm rotor, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Cảm biến Hall có thể được lắp đặt theo hai cách dựa trên vị trí vật lý của chúng, với khả năng đặt dịch pha nhau 60 độ hoặc 120 độ tùy thuộc vào số đôi cực Từ đó, các nhà sản xuất động cơ xác định các chu trình chuyển mạch cần thiết trong quá trình điều khiển động cơ.
Cảm biến Hall cần được cấp nguồn với điện áp từ 4 đến 24V và yêu cầu dòng từ 5 đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần chú ý đến đặc điểm kỹ thuật của từng loại động cơ để xác định chính xác điện áp và dòng điện của cảm biến Hall Đầu ra của cảm biến Hall thường là loại open-collector, do đó cần có điện trở treo ở phía bộ điều khiển; nếu không, tín hiệu thu được sẽ không phải là tín hiệu xung vuông mà là tín hiệu nhiễu.
NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC
Để động cơ BLDC hoạt động hiệu quả, cần xác định chính xác vị trí của roto nhằm điều khiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn và cấp nguồn cho các cuộn dây stato theo trình tự hợp lý Trong mỗi trạng thái chuyển mạch, một cuộn dây (pha A) nhận điện dương, cuộn dây thứ hai (pha B) nhận điện âm, trong khi cuộn thứ ba (pha C) không được cấp điện Momen sinh ra từ sự tương tác giữa từ trường của cuộn dây stato và nam châm vĩnh cửu đạt cực đại khi hai từ trường lệch nhau 90 độ và giảm dần khi di chuyển Để duy trì chuyển động của động cơ, từ trường của cuộn dây stato cần quay đồng bộ với từ trường của roto một góc α.
CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC
1.4.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)
Hình 1.10: minh họa nguyên lí làm việc của BLDC truyền động một cực
Hình 1.11: Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator
Động cơ BLDC ba pha đơn giản sử dụng cảm biến quang học để xác định vị trí rotor Khi cực Bắc của rotor đối diện với cực lồi P2 của stator, phototransistor PT1 được chiếu sáng, tạo ra tín hiệu đến cực gốc (Base) của transistor Tr1, khiến Tr1 mở Ở trạng thái này, cực Nam
14 đƣợc tạo thành ở cực lồi P1 bởi dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 đã hút cực Bắc của rotor làm cho rotor chuyển động theo hướng mũi tên
Khi cực Bắc của rotor đối diện với cực lồi P1 của stator, màn chắn trên trục động cơ che PT1 và PT2, làm cho Tr2 mở và dòng I2 chảy qua Tr2 Dòng điện này qua dây quấn W2 tạo ra cực Nam trên P2, khiến cực Bắc của rotor quay tới P2 Khi đó, màn chắn che PT2 và phototransistor PT3 được chiếu sáng, dòng điện chuyển từ W2 sang W3 Cực lồi P2 bị khử kích thích, trong khi P3 được kích hoạt, tạo thành cực lồi Nhờ vào việc lặp lại các chuyển mạch như vậy, rotor nam châm vĩnh cửu của động cơ sẽ quay liên tục theo chiều xác định.
1.4.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng đƣợc quấn trên stator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng các bóng transistor công suất đƣợc điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor
Hình 1.12: Chuyển mạch hai cực tính của động cơ BLDC
Chuyển mạch hai cực tính hoạt động như một bộ nghịch lưu độc lập với 6 van chuyển mạch, bao gồm các van công suất Đối với động cơ công suất nhỏ, có thể sử dụng van MOSFET, trong khi động cơ công suất lớn thường dùng van IGBT Để dẫn dòng trong các khoảng thời gian mà van không dẫn, diode được mắc song song với các van Bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để điều khiển các van bán dẫn, đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay, tương tự như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường.
MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC
Momen điện từ của động cơ BLDC đƣợc xác định giống nhƣ của động cơ DC có chổi than:
CTdc f= KTdc là hằng số momen
Hằng số momen đƣợc xác định theo công thức:
1.5.2 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thông thường Tức là mối quan hệ giữa momen và tốc độ là các đường tuyến tính nên rất thuận tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho các cơ cấu khác Động cơ BLDC không dùng chổi than nên tốc độ có thể tăng lên do không có sự hạn chế đánh lửa Vì vậy vùng điều chỉnh của động cơ BLDC có thể đƣợc mở rộng hơn
Hình 1.13: Đường đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC
Khi động cơ một chiều không chổi than hoạt động, mỗi cuộn dây sẽ tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động, theo luật Lenz, chống lại điện áp nguồn Sức phản điện động này có chiều ngược với điện áp cấp và phụ thuộc vào ba yếu tố chính: vận tốc góc của rotor, từ trường do nam châm vĩnh cửu của rotor tạo ra, và số vòng trong mỗi cuộn dây của stator.
Trong đó: N là số vòng dây trên mỗi pha l là chiều dài rotor r là bán kính trong của rotor
Mật độ từ trường rotor (B) và vận tốc góc (ω) của động cơ BLDC là những thông số quan trọng Trong động cơ này, từ trường rotor và số vòng dây stator là không đổi, trong khi vận tốc góc của rotor là yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến sức phản điện động Khi vận tốc tăng, sức phản điện động cũng gia tăng Tài liệu kỹ thuật của động cơ thường đề cập đến hằng số sức phản điện động, giúp ước lượng sức phản điện động tương ứng với một tốc độ nhất định.
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
MÔ HÌNH TOÁN HỌC
Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mô tả lại đối tượng thực tế dưới dạng biểu thức toán học, giúp thuận lợi cho việc phân tích và thiết kế Đối với động cơ, mô tả toán học đóng vai trò quan trọng, vì mọi khảo sát và lý thuyết đều dựa trên mô hình này Do đó, mô hình toán học được coi là chìa khóa để giải quyết mọi vấn đề trong quá trình tính toán và thiết kế động cơ.
2.1.1 Mô hình toán học Để thực hiện xây dựng mô hình toán học thì phải ƣớc lƣợng động cơ về các phần tử điện cơ bản Hình 2.1 trình bày mô hình mạch điện trong động cơ bao gồm 3 cuộn dây stato đƣợc ƣớc lƣợng bởi điện trở Ra và điện cảm La, do 3 cuộn dây của stator đƣợc đặt cạnh nhau nên xảy ra hiện tƣợng hỗ cảm giữa các cuộn dây với nhau, sự hỗ cảm giữa các cuộn dây đƣợc thể hiện qua đại lƣợng M Mặt khác do rotor của động cơ là nam châm vĩnh cửa nên khi rotor quay sẽ quét qua cuộn dây stator nên có sự tương tác giữa hai từ trường Vì vậy các đại lượng ea, eb, ec, thể hiện sự tương tác giữa hai từ trường, biên độ của các sức phản điện động này là bằng nhau và bằng E Do các nam châm đều đƣợc làm từ vật liệu có suất điện trở cao nên có thể bỏ qua dòng cảm ứng rotor
Hình 2.1: Mô hình mạch điện của động cơ BLDC
Từ mô hình mạch điện của động cơ thì phương trình điện áp của một pha:
Vc = Rc +Lc + ec Đặt s là toán tử laplace khi đó di/dt=i.s
Phương trình điện áp của ba pha:
Trong hệ thống động cơ, L a, L b, L c đại diện cho điện cảm của các cuộn dây, trong khi L ab, L bc, L ca là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng Các giá trị điện trở R a, R b, R c của cuộn dây stator đều bằng nhau do các pha là đối xứng.
Trên hình 2.1 các cuộn dây của stator đấu sao nên: i a + i b + i c = 0 (2-4)
Kết hợp hai biểu thức (2.3) và (2.5), suy ra:
Chuyển vế của biểu thức (2-6) để đƣa dòng điện về một vế ta đƣợc:
Từ biểu thức (2-7) xây dựng đƣợc mô hình thu gọn của động cơ BLDC
Hình 2.2: Mô hình thu gọn của động cơ BLDC Đặt L-M = Ls là điện cảm tương đương của mỗi pha
Momen điện từ của động cơ được xác định qua công suất cơ và công suất điện Trong động cơ, lực ma sát chủ yếu xảy ra giữa trục động cơ và ổ đỡ, do đó lực ma sát này là nhỏ Hơn nữa, vật liệu chế tạo động cơ có điện trở suất cao, cho phép bỏ qua tổn hao sắt và tổn hao đồng Vì vậy, công suất điện cung cấp cho động cơ tương đương với công suất cơ tại đầu trục.
Với là tốc độ của động cơ, công suất cơ đƣợc tính theo biểu thức:
Công suất điện đƣợc tính theo biểu thức:
Cân bằng công suất ở hai biểu thức trên:
2.1.3 Phương trình động học của động cơ BLDC
Ma sát thường tỷ lệ với tốc độ và được biểu hiện thông qua hệ số nhớt
Momen tải của động cơ : M c
Momen quán tính của tải : J c
Như vậy, phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng như sau:
M=(J m + J c ) + D ω + M c (2-13) Đặt J = J m + J c , biến đổi phương trình (2.12) sẽ được:
= (2-14) Viết dưới dạng toán tử Laplace: s ω = (2-15)
2.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than Đặc tính cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ Công suất cơ của động cơ là tích số giữa momen và tốc độ Tuy vậy, ở cùng một giá trị công suất, mỗi loại động cơ khác nhau thì mối quan hệ giữa hai đại lƣợng này là khác nhau
Sơ đồ một pha tương đương của động cơ, như trong hình 2.3, bao gồm nguồn cấp một chiều với điện áp V, sức phản điện động E, điện trở cuộn dây R và dòng điện mỗi pha ở chế độ xác lập là I Trong động cơ, tại một thời điểm luôn có hai pha cùng dẫn, do đó phương trình cân bằng điện áp của động cơ ở trạng thái xác lập được thiết lập như sau:
Hình 2.3: Sơ đồ 1 pha tương đương của động cơ BLDC
Ta có biểu thức công suất điện:
P d = e a i a + e b i b + e c i c = 2.E.I (2-17) Biểu thức về công suất cơ:
Biểu thức về sức phản điện động:
Nếu không tính đến các tổn hao như ma sát, tổn hao sắt từ và khe hở, công suất cơ có thể coi là xấp xỉ bằng công suất điện Trong công thức về sức phản điện động, E được đo theo giá trị đỉnh - đỉnh, do đó biên độ của sức điện động là E/2 Cân bằng các phương trình (2-17) và (2-18) cùng với biểu thức sức phản điện động, ta có thể rút ra kết luận quan trọng.
Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2-15), ta sẽ có biểu thức của tốc độ nhƣ sau:
Từ hai biểu thức (2-20) và (2-21), ta sẽ có phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC:
Giao điểm của đặc tính cơ với trục tốc độ chính là biểu thị của tốc độ không tải lý tưởng Lúc đó, dòng điện bằng 0
(2-23) Giao điểm của đường đặc tính cơ với trục momen là giá trị momen lớn nhất hay momen ngắn mạch (tương ứng với dòng điện ngắn mạch)
Có thể thấy, dạng của phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều thông thường với động cơ BLDC là giống nhau
2.1.5 Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC
Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC được trình bày tổng quát cho động cơ 3 pha Trong động cơ BLDC, hệ số nhớt rất nhỏ, do đó có thể loại bỏ thành phần D trong các phương trình tính toán.
7), các phương trình điện được viết lại như sau: i a = (V a -e a ) i b = (V b -e b ) i c = (V c -e c )
Trong đó T ƣ =L ƣ /R ƣ đƣợc gọi là hằng số thời gian điện từ của động cơ BLDC
Từ 3 phương trình trên, kết hợp với các phương trình momen điện từ (2-11) và phương trình động học (2-14), bỏ qua ma sát trong động cơ, sơ đồ khối của động cơ BLDC đƣợc trình bày nhƣ trong hình 2.4
Hình 2.4: Sơ đồ khối động cơ BLDC
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
Để điều khiển động cơ BLDC, có hai phương pháp chính: sử dụng cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và điều khiển không cảm biến (sensorless control) Hai phương pháp điều chế điện áp từ bộ điều khiển là điện áp dạng sóng hình thang và hình sin Cả hai phương pháp này đều áp dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và không cảm biến, tuy nhiên, phương pháp không cảm biến chỉ sử dụng điện áp dạng sóng hình thang.
2.2.1 Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall-phương pháp 6 bước
Hình 2.5 minh họa các tín hiệu từ cảm biến Hall liên quan đến sức phản điện động của động cơ và dòng điện pha Hình 2.6 thể hiện thứ tự chuyển mạch của các cảm biến Hall khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Hình 2.7 cung cấp ví dụ về tín hiệu từ cảm biến Hall tương ứng với sức.
25 phản điện động của động cơ và dòng điện pha được mô tả trong Hình 2.8, thể hiện thứ tự chuyển mạch tương ứng với các cảm biến Hall khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ.
Mỗi khi đạt được 60 độ điện, cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái, cho thấy cần 6 bước để hoàn thành một chu kỳ điện Đồng thời, với mỗi 60 độ điện, chuyển mạch dòng điện pha cũng cần được cập nhật Tuy nhiên, một chu kỳ điện không nhất thiết tương ứng với một vòng quay cơ khí của rotor Số chu kỳ điện cần thiết để hoàn thành một vòng quay của động cơ phụ thuộc vào số cặp cực của rotor, với mỗi chu kỳ điện được xác định bởi một cặp cực Do đó, số chu kỳ điện trong một chu kỳ cơ bằng số cặp cực của rotor.
Động cơ BLDC khác biệt so với động cơ một chiều và động cơ đồng bộ nhờ vào đường sức phản điện động hình thang và dòng điện dạng hình chữ nhật trong các pha Đặc tính phản điện động của ba cuộn dây lệch nhau 2π/3 xuất phát từ việc bố trí các cuộn dây stator lệch nhau 2π/3, với góc chuyển mạch phản điện động là π/3, dẫn đến việc không cấp dòng cho cuộn dây stator tương ứng trong khoảng thời gian này Dựa vào dạng dòng điện ba pha và vị trí cảm biến Hall, có thể xác định sơ đồ mở van cho bộ nghịch lưu Mỗi chu kỳ có 6 lần cảm biến Hall thay đổi vị trí, tạo ra 6 trạng thái mở van khác nhau.
Hình 2.5: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ
Hình 2.6: Thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ
Hình 2.7: Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong chế độ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ
Hình 2.8 minh họa thứ tự cấp điện cho các cuộn dây tương ứng với các cảm biến Hall trong chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ Hình 2.9 trình bày sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than, trong đó vi điều khiển đóng vai trò là bộ điều khiển chính, phát xung PWM cho bộ đệm PWM - IGBT driver Để phát xung PWM cho bộ đệm, vi điều khiển cần lấy tín hiệu từ cảm biến Hall và dựa vào bảng cảm biến Hall để phát xung mở van theo đúng thứ tự cấp điện.
Hình 2.9: Hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than
Bảng 1.2 và 1.3 trình bày thứ tự chuyển mạch của các van dựa trên tín hiệu đầu vào từ các cảm biến Hall A, B, C, tương ứng với chiều quay của động cơ Các cảm biến Hall được sắp đặt lệch nhau 60 độ để đảm bảo hoạt động chính xác.
Bảng 2.1: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
Thứ tự Đầu vào từ cảm biến Hall Các tín hiệu PWM Dòng điện pha
Bảng 2.2: Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ
Thứ tự Đầu vào từ cảm biến Hall Các tín hiệu PWM Dòng điện pha
Hình 2.10: Giản đồ Hall sensor và dòng điện ngõ ra tổng
Hình 2.11: Quỹ đạo từ thông stato khi không tải và có tải
2.2.2 Điều khiển bằng phương pháp PMW
Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng cách điều chỉnh điện áp vào có thể áp dụng kỹ thuật PWM, một phương pháp phổ biến trong điều khiển điện áp hiện nay Với kỹ thuật này, điện áp cung cấp cho bộ khóa công suất giữ nguyên, trong khi điện áp ra khỏi bộ khóa đến động cơ thay đổi theo thuật toán điều khiển Kỹ thuật PWM có thể được sử dụng cho khóa trên, khóa dưới, hoặc cả hai khóa cùng một lúc.
Hình 2.12: Giản đồ xung điều khiển PMW kênh trên
BLDC Motor có điều chế PMW
Hình 2.13: BLDC motor có điều chế PWM
2.2.3 Điều khiển điện áp hình sin
Kỹ thuật AC không chổi than (brushless AC) giúp giảm tiếng ồn có thể nghe thấy và giảm gợn sóng mô men, nhờ vào việc dạng sóng điện áp và dòng điện ra ít bị gợn sóng.
Hình2.14: Giản đồ điều chế điện áp hình sin
2.2.4 Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control) Đây là phương pháp sử dụng các ước lượng từ thông roto để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cản biến Hall truyền thống Do đó phương pháp này được gọi 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 zezo 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 kĩ thuật điều khiển không cảm biến:
Một là xác định vị trí roto dựa vào sức điên động của động cơ, phương pháp này đơn giản,dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ
Hai là ước lượng vị trí bằng cách sử dụng các thông số của động cơ cùng với các giá trị điện áp và dòng điện Phương pháp này có tính toán phức tạp, khó điều khiển và chi phí cao.
Phương pháp ước lượng vị trí roto dựa vào thời điểm qua zezo của sức điện động yêu cầu tạo ra một điểm trung tính để đo và xác định điểm qua zezo Điểm trung tính có thể là thật hoặc ảo; điểm trung tính ảo lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn dây đấu hình Y Tuy nhiên, điểm trung tính không cố định và điện áp của nó có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn Trong quá trình điều chế PWM, tín hiệu PWM chồng chất lên điện áp trung tính, gây ra nhiễu lớn trên tín hiệu cảm biến, dẫn đến trì hoãn không cần thiết cho tín hiệu này.
Hình2.15: Đo điện áp cảm ứng bằng điểm trung tính a Điểm trung tính thật b Điểm trung tính ảo
Hình 2.16: EMF hồi tiếp v/s Hall sensors
2.2.5 Điều khiển vòng kín động cơ BLDC
Phương trình vi phân mô tả khâu hiệu chỉnh PID: u(t) = K P e(t) + K I + K D
K P : Hệ số khâu tỉ lệ
K I : Hệ số khâu tích phân
K D : Hệ số khâu vi phân
Thủ tục hiệu chỉnh PID
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỷ lệ (KP) được tích hợp vào hệ thống để giảm thiểu sai số xác lập Khi đầu vào thay đổi theo hàm nấc, hiện tượng vọt lố có thể xảy ra, điều này có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng trong mạch động lực.
Khâu tích phân tỉ lệ (PI) là yếu tố quan trọng trong hệ thống nhằm triệt tiêu sai lệch tĩnh, tạo nên hệ vô sai Để nâng cao độ chính xác của hệ thống, cần tăng hệ số khuyếch đại Tuy nhiên, mọi hệ thống thực đều có những giới hạn nhất định, do đó sự hiện diện của khâu PI là cần thiết.
Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn
Khâu điều chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp ưu điểm của hai khâu PI và PD, giúp tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt và khử chậm pha Tuy nhiên, sự hiện diện của khâu PID có thể dẫn đến dao động của hệ thống do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac (t) Các bộ điều chỉnh PID được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hoặc thuật toán phần mềm.
Hình 2.17: Sơ đồ khối PID số u(k) = u P (k) + u I (k) u P (k) = K P e(k)
Trong đó T là tần số lấy mẫu
Rời rạc hóa- phương pháp gần đúng u(k) = u P (k) + u I (k)+ u D (k) u P (k) = K P e(k) u I (k) = K I u D (k) = K D
PID số - phương pháp 2 Đạo hàm hai vế
THỰC HIỆN ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Để điều khiển động cơ BLDC, cần thực hiện việc đóng cắt các van trong bộ biến đổi để cấp điện cho từng cặp van tương ứng Có hai phương pháp để thay đổi điện áp lên van: thay đổi điện áp một chiều hoặc điện áp cấp cho cuộn dây stator Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, các nhà sản xuất IC đã tích hợp nhiều chức năng trên một IC, giúp nghiên cứu và điều khiển động cơ trở nên thuận lợi hơn Mỗi loại vi xử lý từ các hãng khác nhau có cấu trúc và chức năng chân khác nhau, do đó cần lưu ý đến mục đích điều khiển động cơ khi lựa chọn vi xử lý Đối với động cơ BLDC, phương pháp chuyển mạch hai cực tính được sử dụng để cấp điện cho các cuộn dây, cho phép điều khiển thông qua việc điều chế độ rộng xung, giúp thay đổi điện áp đặt lên động cơ một cách hiệu quả.
IGBT là loại van chuyển mạch nghịch lưu có khả năng chịu tần số đóng cắt cao, cho phép thực hiện điều chế độ rộng xung nhằm thay đổi điện áp cấp cho động cơ.
Nhà sản xuất Microchip nổi tiếng đã phát triển vi xử lý chuyên dụng cho việc điều khiển các loại động cơ như động cơ không đồng bộ, động cơ một chiều, động cơ từ trở và động cơ không chổi than Vi xử lý này rất phù hợp cho các nghiên cứu về động cơ, vì nó cung cấp các cổng ra điều chế độ rộng xung, hỗ trợ hiệu quả trong việc điều khiển động cơ.
Vi xử lý 30F4011 có 6 đầu phát xung PWM và tích hợp ADC độ phân giải cao, cho phép điều khiển động cơ hiệu quả nhờ tốc độ xử lý nhanh Trong các hệ thống công nghiệp, việc xử lý thông tin cần đảm bảo tính thời gian thực Đối với động cơ BLDC 30kW, các van biến đổi yêu cầu dòng lớn lên đến vài trăm ampe Do đó, tín hiệu điều khiển từ vi xử lý không đủ điện áp để mở van, đòi hỏi phải có mạch đệm bổ sung để kích mở van IGBT nhằm thực hiện truyền động cho động cơ.
Vì vậy trong phần này sẽ có hai vấn đề đƣợc trình bày đó là:
- Thiết kế mạch điều khiển
3.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011
DSPIC30F4011 là bộ vi điều khiển xử lý tín hiệu số 16 bit có hiệu suất cao do hãng microchip sản xuất Nó có một số đặc điểm chính sau:
+ Khối điều khiển trung tâm CPU hiệu suất cao với tập lệnh rút gọn nâng cao tốc độ xử lý:
- Kiến trúc tập lệnh tối ƣu cho ngôn ngữ C và các chế độ địa chỉ
40 linh hoạt nên việc làm việc đồng thời trên nhiều chân là rất tốt
- Các lệnh có độ rộng 24 bit, dữ liệu có độ lớn 16 bit
- 48Kb flash rom (16k từ lệnh) - 2Kb ram trên chip
- 1Kb eeprom dùng để chứa dữ liệu
- Có thế hoạt động với tốc độ 30 mips (triệu lệnh/s), tần số thạch anh đầu vào có thể từ 4-10MHz
- 30 nguồn ngắt, trong đó có 3 nguồn ngắt ngoài, 8 mức ƣu tiên ngắt
- Mảng thanh ghi có thể làm việc 16 x 16 bit
+ Các đặc trƣng về cơ chế xử lý tín hiệu số
- Thanh ghi chứa nạp lại cho hoạt động xử lý tín hiệu số
- Các chế độ địa chỉ hóa đảo bit và theo module
- 2 thanh chứa có độ rộng 40 bit để thực hiện tính toán
- Bộ nhân số thực/số nguyên bằng phần cứng đơn chu kỳ 17bit x17bit
- Tất cả các lệnh xử lý tín hiệu số đều gói gọn trong 1 chu kỳ + Các đặc điểm về ngoại vi
- Tín hiệu của các chân vào ra có cấp dòng điện lớn 25mA
- Module định thời có bộ chia trước lập trình được
- Các hàm so sánh/xuất PWM 16bit
- Hỗ trợ chế độ I2C để thực hiện kết nối các vi xử lý lại với nhau
- Bộ chuyển đổi tương tự - số 10bit với 4 đầu vào sample and hold
- Tốc độ chuyển đổi là 1 msps (triệu mẫu/s)
Hình 3.1: Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011
DSPIC30F4011 có tổng cộng 30 nguồn ngắt và 4 ngoại lệ ngắt (bẫy bộ xử lý) Chúng đƣợc phân định nhờ 7 mức ƣu tiên ngắt
CPU tra cứu địa chỉ vector ngắt trong bảng vector ngắt và chuyển địa chỉ đó vào bộ đếm chương trình Bộ điều khiển ngắt có nhiệm vụ xử lý các ngắt và bẫy của bộ xử lý Các ngắt được cài đặt, sử dụng và điều khiển thông qua các thanh ghi chức năng đặc biệt.
- IFS0, IFS1, IFS2 với chức năng lưu giữ các cờ ngắt Các cờ này đƣợc xóa bởi phần mềm
- IEC0, IEC1, IEC2 lưu giữ bit điều khiển cho phép/không cho phép ngắt của tất cả các nguồn ngắt
- IPC0 IPC11 là 12 thanh ghi lưu giữ mức ưu tiên của tất cả các ngắt Chúng được cài đặt do lập trình của người sử dụng
- IPL mức ưu tiên CPU hiện thời được lưu ở đây IPL có mặt trong thanh ghi CORCON còn các bit IPL có mặt trong các thanh ghi
- INTCON1, INTCON2 chức năng điều khiển ngắt toàn cục được lưu giữ ở đây
Mỗi nguồn ngắt có thể được lập trình để gán mức ưu tiên từ 1 đến 7 thông qua thanh ghi ICPx, với mức 7 là cao nhất và mức 1 là thấp nhất Mỗi nguồn ngắt tương ứng với một vector trong bảng các vector ngắt.
Trong DSPIC30F4011, có một tính năng quan trọng liên quan đến hoạt động ngắt, đó là bit NSTDIS (INTCON1) Khi bit này được set, nó sẽ chặn các ngắt khác trong khi một ngắt đang được phục vụ Điều này có nghĩa là trong quá trình thực thi chương trình con dịch vụ ngắt, nếu bit NSTDIS được bật, các ngắt khác, kể cả những ngắt có mức ưu tiên cao hơn, sẽ không được xử lý.
3.1.1.2 Cổng vào ra của DSPIC30F4011
DSPIC30F4011 được trang bị 5 cổng vào ra, được đánh dấu từ RB đến RF Mỗi cổng có số lượng bit khác nhau, chẳng hạn như cổng RB có 9 bit.
RE có 6 bit với các cổng vào ra có khả năng chịu dòng 25mA, cho phép xuất ra tín hiệu đủ mạnh để điều khiển LED trực tiếp.
Có 3 thanh ghi chính phục vụ cho cổng vào ra
Thanh ghi TRISx (với x là tên cổng) điều khiển hướng dữ liệu qua các chân cổng, xác định chân nào là đầu vào hoặc đầu ra Theo quy ước, giá trị 1 biểu thị đầu vào và giá trị 0 biểu thị đầu ra.
Hình 3.2 : Cấu trúc một chân của cổng vào ra
Thanh ghi PORTx có chức năng thu thập dữ liệu khi được sử dụng như cổng vào, và thao tác đọc thanh ghi này cho phép xác định trạng thái của cổng Trong khi đó, thanh ghi LATx được sử dụng để lưu trữ dữ liệu cho cổng ra; việc gửi dữ liệu ra ngoài được thực hiện bằng cách ghi vào thanh ghi LATx Sau khi hệ thống được RESET, tất cả các PORT sẽ được mặc định là cổng vào.
DSPIC30F4011 có 5 bộ định thời , trong đó các bộ định thời đƣợc chia làm 3 loại :A,B,C Mỗi kiểu định thời có một đặc trƣng riêng
Bộ định thời Timer1 là loại A, thuộc module định thời 16 bit, có khả năng cung cấp bộ đếm thời gian cho đồng hồ thời gian thực hoặc hoạt động như một bộ đếm/định thời tự do theo khoảng Bộ định thời 16 bit này hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động khác nhau.
Chế độ đinh thời 16 bit cho phép bộ định thời tăng giá trị lên 1 sau mỗi chu kỳ lệnh Khi giá trị của bộ định thời đạt đến giá trị đã đặt trong thanh ghi PR1, nó sẽ được reset về 0 và tiếp tục đếm từ đầu.
Chế độ đếm không đồng bộ 16 bit cho phép bộ định thời tăng giá trị mỗi khi phát hiện sườn lên của xung clock bên ngoài Khi giá trị bộ định thời đạt đến giá trị đã được đặt, quá trình đếm sẽ hoàn tất.
44 thanh ghi PR1, nó sẽ đƣợc reset về 0 và lại tiếp tục đếm từ đầu
Hình 3.3: Cấu trúc của bộ định thời 1 (Timer1 - Định thời loại A)
Bộ định thời 16 bit có khả năng phát sinh ngắt khi giá trị của nó trùng với giá trị trong thanh ghi PR1, lúc này bit T1IF sẽ được thiết lập và ngắt được kích hoạt Để đảm bảo hoạt động chính xác, bit T1IF cần được xóa bởi phần mềm ngay khi vào thủ tục ngắt.
THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO ĐỘNG CƠ BLDC
3.2.1 Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơ BLDC Đối với động cơ công suất lớn dùng trong công nghiệp nhƣ động cơ mà đề tài đang đề cập đến thì nguồn một chiều cấp cho động cơ BLDC không thể dùng các bộ nguồn điện một chiều có sẵn nhƣ acquy vì các bộ nguồn điện một chiều này không đủ năng lƣợng để cấp điện cho động cơ Vì vậy các động cơ có công suất lớn sẽ phải có một bộ chỉnh lưu để tạo ra điện áp một chiều cho động cơ Ngoài ra đối với động cơ BLDC để cho động cơ quay thì chúng ta phải cấp điện cho các cuộn dây stato của động cơ theo quy luật đã định sẵn Để cấp điện thứ tự cho các cuôn dây thì sau khi chỉnh lưu ra điện áp một chiều chúng ta cho qua bộ nghịch lưu nguồn áp để cấp nguồn cho động cơ
Hình 3.22: Sơ đồ biến đổi cho động cơ BLDC
Biến áp tự ngẫu được sử dụng trước bộ chỉnh lưu trong hình 3.22 nhằm hạn chế dòng điện ban đầu khi đóng mạch Nếu điện áp quá lớn, dòng điện trong mạch chỉnh lưu sẽ tăng cao, có thể gây hỏng hóc cho các van chỉnh lưu và tụ lọc.
Sau đây là phân tích cụ thể của từng khối trong sơ đồ biến đổi
Hình 3.23: Cấu tạo của biến áp tự ngẫu
Có thể sử dụng một điện trở khởi động để hạn chế dòng điện qua các van trong quá trình nạp tụ Khi tụ đã được nạp đầy, ta sẽ cắt bỏ điện trở bằng cách điều khiển một van bán dẫn Mở van bán dẫn cho phép dòng điện chạy chủ yếu qua van, tức là ngắn mạch điện trở.
Biến áp tự ngẫu đóng vai trò quan trọng trong việc cách li nguồn mạch lực và nguồn cấp, nhằm ngăn chặn sự cố từ mạch động lực ảnh hưởng đến nguồn cấp của lưới Trong quá trình nghiên cứu mạch thực nghiệm, việc xảy ra ngắn mạch là điều có thể xảy ra, do đó, sự bảo vệ này là cần thiết.
Mạch chỉnh lưu có nhiều loại, chủ yếu bao gồm chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ, chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa, chỉnh lưu cầu một pha, chỉnh lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu cầu ba pha Đối với nguồn cấp cho động cơ BLDC, yêu cầu quan trọng là nguồn điện phải phẳng để giảm thiểu sự nhấp nhô điện áp.
66 có thể làm hỏng van khi van đươc băm với tần số lớn khoảng trên vài KHz
Để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển động cơ, việc lựa chọn mạch chỉnh lưu với điện áp ra phẳng là rất quan trọng, đặc biệt khi thực hiện điều chế độ rộng xung PWM với tần số cao Đối với động cơ BLDC công suất 30 kW, việc sử dụng bộ chỉnh lưu một pha không khả thi do công suất đầu vào thấp và dòng điện lớn, dẫn đến chi phí đầu tư cao nhưng hiệu quả không tốt Do đó, các bộ chỉnh lưu 3 pha là lựa chọn hợp lý, vì chúng cung cấp công suất đầu vào lớn hơn và chia đều công suất trên ba pha, giúp giảm dòng điện qua các van và đơn giản hóa quá trình tính toán mạch chỉnh lưu, từ đó giảm chi phí.
Khi sử dụng mạch chỉnh lưu 3 pha, có hai lựa chọn chính là chỉnh lưu hình tia và chỉnh lưu cầu Chỉnh lưu hình tia có hệ số nâng điện áp thấp do biên độ điện áp chỉ là một cực, dẫn đến điện áp rơi lớn trên van khi cấp cho động cơ BLDC với điện áp vào 640(V) Ngược lại, chỉnh lưu cầu chia điện áp rơi trên hai van, giúp giảm điện áp rơi trên van, thuận lợi cho việc tính chọn van Động cơ BLDC sử dụng hai bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, cho phép điều khiển tốc độ động cơ bằng hai phương pháp khác nhau.
Việc thay đổi điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu liên quan đến việc điều khiển các van chỉnh lưu tiristor Trong khi đó, các van nghịch lưu chỉ có chức năng dẫn dòng mà không ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt của van.
- Thay đổi điện áp đặt lên động cơ tức là bằng cách đóng mở van
Bộ nghịch lưu 67 có khả năng thay đổi điện áp trung bình đặt lên van thông qua việc điều chỉnh độ rộng xung, từ đó cho phép thay đổi điện áp đầu ra Do đó, chúng ta cần xem xét hai lựa chọn: sử dụng chỉnh lưu cầu có điều khiển hoặc không có điều khiển.
Dưới đây là cấu trúc của hai bộ chỉnh lưu vừa được nêu ở trên
Hình 3.24: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lưu cầu diot
Trong hình 3.25 thì tụ điện C có vai trò san phẳng điện áp để cho điện áp một chiều cấp cho động cơ là bằng phẳng
Dưới đây là dạng điện áp sau chỉnh lưu của chỉnh lưu cầu diot:
Hình 3.26: Sơ đồ điện áp chỉnh lưu cầu diot
Bộ nghịch lưu độc lập được sử dụng cho động cơ BLDC, trong đó các cuộn dây stator được cấp điện theo bảng, yêu cầu thực hiện đóng mở van theo quy trình cụ thể Đối với động cơ nhỏ, van MOSFET có thể được sử dụng, trong khi động cơ lớn cần van IGBT do MOSFET không chịu được dòng lớn.
3.2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT
IGBT là một loại linh kiện kết hợp ưu điểm của Mosfet và transistor thường, cho phép đóng cắt nhanh và chịu được dòng điện lớn Van IGBT được điều khiển bằng điện áp, do đó yêu cầu công suất điều khiển rất thấp Khi có điện áp UGE > 0, kênh dẫn được hình thành với các hạt mang điện là điện tử, chúng di chuyển về phía collector và vượt qua lớp tiếp giáp n-p, tạo ra quá trình dẫn dòng hiệu quả.
Hình 3.27: Cấu trúc bán dẫn và cấu trúc tương đương của van IGBT
3.2.4.2 Đặc tính đóng cắt của van IGBT a Quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT bắt đầu khi điện áp điều khiển tăng từ 0 đến giá trị U G Trong khoảng thời gian trễ, tín hiệu điều khiển sẽ nạp điện cho tụ.
Điện áp giữa cực điều khiển và emitor C GE tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị ngưỡng U GE, dao động trong khoảng 3-5V, cho phép mosfet trong van IGBT bắt đầu mở Dòng điện giữa colector và emitor tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gian tr Khi điện áp U GE đạt giá trị cần thiết, dòng I0 qua colector được xác định Diode D0 vẫn dẫn dòng tải I0, khiến điện áp U CE bị giữ ở mức điện áp nguồn một chiều U DC Quá trình mở diễn ra qua hai giai đoạn t fv1 và t fv2, trong đó điện áp giữa hai cực điều khiển và emitor được duy trì ở mức U GE, Io, để giữ dòng I0 Dòng điều khiển là dòng phóng của tụ C GE, giúp IGBT hoạt động trong chế độ tuyến tính Giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hồi của diode D0, tạo ra xung dòng trên mức I0 của IGBT.
U CE giảm khiến IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hoà Trong giai đoạn hai, điện trở trong vùng thuần trở của colectơ giảm, làm cho điện trở giữa colectơ và emitơ đạt giá trị R ON, dẫn đến khoá bão hoà.
Tổn hao năng lƣợng khi mở đƣợc tính gần đúng theo công thức:
Nếu tính thêm ảnh hưởng của quá trình phục hồi của Diôt D 0 thì tổn hao năng lƣợng sẽ lớn hơn do xung dòng trên colectơ
Hình 3.28: Sơ đồ thử nghiệm khoá IGBT
Các quá trình dẫn của van IGBT đƣợc mô tả trên hình 3.29
Hình 3.29: Đồ thị thể hiện sự dẫn dòng của van IGBT b Quá trình khoá IGBT
Quá trình khoá bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ U G xuống -U G Trong thời gian trễ, điện áp trên cực điều khiển và cực emitter giảm do sự phóng điện của tụ C GE, dẫn đến điện áp GE giảm xuống U GE Dòng Io được giữ không đổi khi điện áp U CE bắt đầu tăng lên.