Tìm hiểu động cơ một chiều không chổi than BLDC

Động cơ một chiều không chổi than là loại động cơ có rất nhiều ƣu điểm nên gần đây đã đƣợc chú ý nghiên cứu và đƣa vào sử dụng rộng rãi nhất là trong các hệ thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt: môi trƣờng chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ,... Do không có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp, chổi than nên động cơ này khắc phục đƣợc hầu hết các nhƣợc điểm của động cơ một chiều thông thƣờng. Hiệu suất cao do giảm đƣợc tổn thất công suất, không cần bảo dƣỡng và quán tính rotor nhỏ của động cơ một chiều không chổi than đã làm tăng nhu cầu sử dụng động cơ này trong những ứng dụng rô bốt và servo công suất lớn. Việc phát minh ra các thiết bị công suất hiện đại nhƣ MOSFET, IGBT, GTO và nam châm vĩnh cửu đất hiếm năng lƣợng cao đã tăng cƣờng các ứng dụng của động cơ này trong các truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ.

Trong quá trình học tập tại trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng. Với

sự giúp đỡ của nhà trƣờng và khoa Điện Dân Dụng và Công Ngiệp em đã đƣợc nhận đề tài tốt nghiệp là " Tìm hiểu động cơ điện một chiều không chổi than".

Đồ án gồm các nội dung sau:

Chƣơng 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than.

Chƣơng 2: Mô hình toán học và phƣơng pháp điều khiển động cơ.

Chƣơng 3: Vấn đề điều khiển cho động cơ

Chƣơng 4: Tìm hiểu phƣơng pháp xây dựng cấu trúc hệ truyền động và mô ph ỏng .

NỘI DUNG:

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI

THAN.................................................................................................. 3

1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BLDC........................................................3

1.2. CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BLDC................................................................ 5

1.2.1. Stato..................................................................................................... 6

1.2.2. Roto...................................................................................................... 8

1.2.3. Cảm biến vị trí Hall sensor...................................................................10

1.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (Electronic commutator)

.....................11

1.3. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC..........................12

1.4. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ BLDC..............13

1.4.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)

.................14

1.4.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) .........................14

1.5. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ BLDC...................15

1.5.1. Momen điện từ.....................................................................................15

1.5.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC..........................15

1.5.3. S

ức phản điện động.............................................................................16

CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHUƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ BLDC..........................................................................17

2.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC...........................................................................17

2.1.1. Mô hình toán học ...............................................................................17

2.1.2. Momen điện từ...................................................................................20

2.1.3. Phƣơng trình động học của động cơ BLDC........................................ 20

2.1.4. Phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than

................................................................................................................ 21

2.1.5. Sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC...................................................... 22

2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC. .................. 23

2.2.1. Phƣơng pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall-phƣơng pháp 6

bƣớc............................................................................................................ 24

2.2.2. Điều khiển bằng phƣơng pháp PMW. ............................................ 30

2.2.3. Điều khiển điện áp hình sin. ................................................................31

2.2.4. Điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến(sensorless

control)........................................................................................................... 32

2.2.5. Điều khiển vòng kín động cơ BLDC.

................................................. 33

CHƢƠNG 3. THỰC HIỆN ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC.. 37

3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ. .................................................................................... 37

3.1.1. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011....................................... 38

3.1.1.1. Ngắt của DSPIC30F4011................................................................. 40

3.1.1.2. Cổng vào ra của DSPIC30F4011.................................................... 41

3.1.1.3. Các bộ định thời......................................................................... 41

3.1.1.4. Module chuyển đổi tƣơng tự - số ADC 10bit................................ 43

3.1.1.5. Module PWM điều khiển động cơ...................................................46

3.1.2. Thiết kế mạch điều khiển Động cơBLDCdùng DSPIC30F4011.... 47

3.1.2.1. Module xử lý trung tâm................................................................... 47

3.1.2.2. Hệ thống phản hồi dòng điện.......................................................... 49

3.1.2.3. Mạch phản hồi tốc độ..................................................................... 50

3.1.2.4. Một số cấu trúc khác...................................................................... 51

3.1.3. Thiết kế mạch đệm cho bộ nghịch lƣu............................................... 55

3.1.3.1. IC HCPL 316J...................................................................................55

3.1.3.2. Mạch đệm cho mỗi van IGBT.......................................................... 56

3.1.3.3. Nguồn cấp cho từng module của mạch đệm.................................... 56

3.1.3.4. Mạch đệm của cả 6 van IGBT......................................................... 57

3.1.4. Viết chƣơng trình điều khiển cho động cơ.......................................... 57

3.1.4.1. Lập trình cho mạch vòng hở............................................................ 58

3.1.4.2. Chƣơng trình mạch vòng kín .......................................................... 60

3.2.THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO ĐỘNG CƠ BLDC................................. 61

3.2.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơBLDC............................... 61

3.2.2. Biến áp tự ngẫu..............................................................................62

3.2.3. Mạch chỉnh lƣu.................................................................................. 62

3.2.4. Mạch nghịch lƣu................................................................................. 65

3.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT..................................... 65

3.2.4.2. Đặc tính đóng cắt của van IGBT.................................................... 65

3.2.4.3. Lựa chọn mạch nghịch lƣu............................................................... 68

3.2.5. Tính toán tham số mạch lực................................................................ 70

3.2.5.1. Tính chọn mạch chỉnh lƣu............................................................... 70

3.2.5.2. Tính chọn mạch nghịch lƣu............................................................ 71

3.2.5.3. Tính chọn tụ lọc............................................................................. 72

CHƢƠNG 4. TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ

TRUYỀN ĐỘNGVÀ MÔ PHỎNG............................................................. 73

4.1. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ VÀ DÒNG ĐIỆN CHO ĐỘNG

CƠ BLDC ....................................................................................... 73

4.1.1. Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than..................... 73

4.1.2.Tổng hợp các bộ điều chỉnh của Động cơ BLDC............................... 74

4.1.3. Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha Động cơ BLDC......................... 76

4.1.4. Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều

khiển............................................................................................................ 77

4.1.4.1. Khối bộ biến đổi............................................................................. 77

4.1.4.2. Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng .............................................. 78

4.1.4.3. Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ................................................... 79

4.1.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện........................................................ 79

4.1.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.............................................................. 81

4.1.7. Mô phỏng mô hình một pha của động cơ BLDC............................... 84

4.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình 3 pha của động cơ BLDC ................ 87

4.2.1. Xây dựng tổng quan mô hình hệ điều khiển động cơ BLDC ............. 88

4.2.2. Mô hình động cơ BLDC .................................................................. 89

4.2.2.1. Phần mạch điện............................................................................... 90

4.2.2.2. Phần tính toán momen...................................................................... 91

4.2.2.3. Khối tạo dạng sức phản điện động.................................................. 92

4.2.3. Mô hình bộ chuyển mạch điện tử - nghịch lƣu nguồn áp...................95

4.2.4. Khối Bộ điều khiển ......................................................................... 96

4.2.4.1. Khối Rw ...................................................................................... 97

4.2.4.2. Khối tạo dạng dòng điện ............................................................. 97

4.2.4.3. Khối Ri ........................................................................................ 98

4.2.4.4. Khối Pulse Generator................................................................... 99

4.2.5. Một số khối chức năng khác............................................................ 100

4.2.5.1. Khối phản hồi tốc độ................................................................... 100

4.2.5.2. Khối phản hồi dòng điện ............................................................. 100

4.2.6. Một số chƣơng trình phục vụ cho mô hình hệ điều khiển................ 100

4.2.7. Mô phỏng mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển động cơ

BLDC........................................................................................................ 101

4.2.8. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển Động cơ BLDC.................. 102

4.2.9. Nhận xét kết quả mô phỏng............................................................. 104

KẾT LUẬN................................................................................................. 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO