<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

<b>BÀI TẬP LỚNVi điều khiển và ứng dụngĐề tài: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ</b>

<b>động cơ BLDC 2 mạch vòng Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Quang</b>

<b>Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 19</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>DANH SÁCH HÌNH VẼ ... 6 </b>

<b>DANH SÁCH BẢNG BIỂU ... 8 </b>

<b>CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔITHAN (BLDC) ... 9 </b>

1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC) ... 9

1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC ... 12

Stator động cơ BLDC ... 14

Rotor động cơ BLDC ... 15

Cảm biến xác định vị trí Rotor ... 15

Bộ chuyển mạch điện tử ... 17

Sức phản điện động ... 17

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC ... 18

1.4 Các hệ truyền động dùng cho động cơ BLDC ... 19

Truyền động không đảo chiều ... 19

Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) ... 19

1.5 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc động cơ BLDC ... 20

1.6 Ứng dụng của động cơ BLDC ... 21

Hệ thống điều khiển chuyển động ... 22

Ứng dụng trong đời sống ... 22

Ứng dụng trong công nghiệp ... 24

<b>CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂNĐỘNG CƠ BLDC ... 25 </b>

2.1 Mô hình tốn học ... 25

Phương trình sức điện động và momen ... 26

Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC ... 27

2.2 Phương pháp điều khiển động cơ BLDC ... 28

Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall – phươngpháp chuyển mạch 6 bước ... 29

Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến ... 33

<b>CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC 34 </b>

3.1 Đặt vấn đề ... 34

Động cơ BLDC 90ZWN24-120P ... 34

Vi điều khiển STM32F103C8T6 ... 35

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Mosfet IRFZ44N ... 36

IC đóng mở Mosfet IR2110 ... 37

IC hạ áp LM2576 ... 38

4.3 Lập trình điều khiển động cơ BLDC ... 44

Cấu hình cho vi điều khiển ... 44

Lập trình cho vi điều khiển ... 47

4.4 Sơ đồ kết nối hệ thống và kết quả thực tế ... 49

Sơ đồ kết nối hệ thống ... 49

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN ... 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 52

PHỤ LỤC ... 53

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) ... 9

Hình 1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC ... 12

Hình 1.3 Cấu tạo của động cơ BLDC đang được đặt ở phòng 207 nhà C1B ... 13

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ ... 13

Hình 1.5 Stator động cơ BLDC ... 14

Hình 1.6 Dạng sức điện động của động cơ BLDC ... 14

Hình 1.7 Các dạng rotor động cơ BLDC ... 15

Hình 1.8 Rotor của động cơ BLDC ... 15

Hình 1.9 Cấu trúc của động cơ BLDC ... 16

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khiển bằng transitor quang 17

Hình 1.11 Sơ đồ cấp điện cho các cuộn dây stator ... 18

Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay từ trường stator ... 19

Hình 1.13 Chuyển mạch hai cực tính động cơ BLDC ... 20

Hình 1.14 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ BLDC ... 21

Hình 1.15 Đồ thị đặc tính làm việc của động cơ BLDC ... 21

Hình 1.16 Thông số động cơ của xe máy điện VinFast Tempest ... 23

Hình 1.17 Máy bay không người lái sử dụng động cơ BLDC ... 23

Hình 1.18 Quạt tản nhiệt sử dụng động cơ BLDC ... 24

Hình 1.19 Cánh tay robot sử dụng động cơ BLDC ... 24

Hình 2.1 Mơ hình mạch điện của động cơ BLDC ... 25

Hình 2.2 Mơ hình thu gọn động cơ BLDC ... 26

Hình 2.3 Sơ đồ một pha tương đương của động cơ BLDC ... 27

Hình 2.4 Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động, dòng điện pha trong chế độquay thuận chiều kim đồng hồ ... 29

Hình 2.5 Hệ điều khiển động cơ BLDC ... 30

Hình 2.6 Quỹ đạo từ thông stator khơng trịn với 6 bậc trong 1 chu kỳ ... 31

Hình 2.7 Dạng đồ thị xung điều chế PWM ... 32

Hình 2.8 Nguyên lý điều khiển tải bằng xung PWM ... 32

Hình 2.9 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra ... 33

Hình 3.1 Động cơ BLDC 90ZWN24-120P ... 34

Hình 3.2 Broad Blue Pill ... 35

Hình 3.3 Sơ đồ chân của broad Blue Pill ... 36

Hình 3.4 Mosfet IRF Z44N ... 37

Hình 3.5 IC IR2110 ... 37

Hình 3.6 Cấu tạo bên trong của IC IR2110 ... 38

Hình 3.7 IC LM2576 ... 38

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Hình 3.8 Mạch điều khiển đóng mở van mosfet ... 39

Hình 3.9 Mạch lực điều khiển động cơ BLDC ... 39

Hình 3.10 Khối mạch nguồn 12v và mạch nguồn 5v ... 40

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC ... 41

Hình 3.12 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển động cơ BLDC ... 41

Hình 4.1 Biểu tượng của phần mềm STM32CubeMX ... 42

Hình 4.2 Giao diện chính của phần mềm STM32CubeMX ... 43

Hình 4.3 Giao diện của phần mềm Keil C V5 ... 44

Hình 4.4 Cấu hình vi điều khiển STM32F103C8T6 ... 45

Hình 4.5 Cấu hình GPIO cho vi điều khiển ... 45

Hình 4.6 Cấu hình Timer 2 channel 1 của vi điều khiển ... 46

Hình 4.7 Cấu hình Timer 1 channel 1, 2 và 3 của vi điều khiển ... 46

Hình 4.8 Cấu hình truyền thông UART cho vi điều khiển ... 47

Hình 4.9 Nguyên lý hoạt động của chế độ Input capture ... 47

Hình 4.10 Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển động cơ BLDC ... 49

Hình 4.11 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC ... 49

Hình 4.12 Kết quả tốc độ đáp ứng (đỏ) với tốc độ đặt (xanh) ... 50

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một chiều ... 11

Bảng 2.1 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ ... 30

Bảng 2.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ ... 31

Bảng 3.1 Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P ... 35

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔITHAN (BLDC)

1.1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Động cơ một chiều (ĐCMC) thơng thường có hiệu suất cao và các đặctính của chúng thích hợp với các truyền động servo. Tuy vậy, nhược điểm lớnnhất trong cấu tạo của ĐCMC là cơ cấu cổ góp và chổi than. Cơ cấu này dễ bịmài mòn khi hoạt động vậy nên ĐCMC yêu cầu việc bảo dưỡng thường xun,ngồi ra, cơ cấu cổ góp chổi than có thể sinh ra tia lửa điện trong quá trình hoạtđộng, nên ĐCMC không được dùng ở trong các môi trường dễ cháy nổ. Để khắcphục nhược điểm trên, người ta đã tạo ra loại động cơ không cần chuyển mạchbằng cơ cấu cổ góp và chổi than, mà chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (vídụ: biến tần sử dụng transitor cơng suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Loại độngcơ này được biết đến là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu haycịn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Dokhơng có cơ cấu cổ góp và chổi than nên loại động cơ này đã giải quyết được đasố những nhược điểm của ĐCMC thông thường.

H nh 1.1 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ lâu đãđược sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vàichục W) như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính các nhân, thiếtbị văn phòng (máy in , scan...). Trong các ứng dụng đó mạch điều khiển được chếtạo đơn giản và có độ tin cậy cao.

Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, công nghệ chế tạo vật liệulàm nam châm vĩnh cửu cũng có những bước tiến lớn, đã làm cho những ưu điểmcủa các hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ BLDC so với ĐCMC thôngthường hay động cơ dị bộ trở lên rõ rệt hơn, đặc biệt là ở các hệ thống truyềnđộng di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ ắc qui, pin hay nănglượng mặt trời. Trong đó khơng thể không nhắc đến là các hệ truyền động xe kéotrên xe điện

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

với công suất từ vài chục đến 100kW. Trong cơng nghiệp, chúng cịn được sửdụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có cơng suất dưới 10kW.

BLDC là một loại của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó sử dụngcác bộ cảm biến vị trí và một bộ nghịch lưu (inverter) để điều khiển dòng điệnphần ứng.

Mặc dù đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thường hồntồn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh.Khi so sánh ĐCMC và động cơ BLDC về mặt công nghệ hiện nay, ta thường sosánh sự khác biệt hơn là sự giống nhau giữa 2 loại động cơ. Khi đề cập đến chứcnăng của động cơ điện, ta phải nhắc đến ý nghĩa của sự đổi chiều và phần dâyquấn. Sự đổi chiều là q trình biến đổi dịng điện một chiều ở đầu vào thànhdòng điện xoay chiều và phân bố một cách chính xác dịng điện này tới mỗi dâyquấn ở phần ứng động cơ. Ở ĐCMC thông thường, sự đổi chiều được thực hiệnnhờ cơ cấu cổ góp và chổi than. Cịn ở động cơ BLDC, sự đổi chiều được thựchiện bằng việc sử dụng các van bán dẫn như transitor, MOSFET, IGBT...

Ưu nhược điểm của động cơ BLDC:- Đặc tính tốc độ/mơ men tuyến tính.- Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.

- Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên khơng có tổn haotrên rotor.

- Tuổi thọ cao do khơng có chuyển mạch cơ khí- Khơng gây nhiễu khi hoạt động.

- Dải tốc độ rộng.- Mật độ công suất lớn.

- Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).

- Mơ men điều khiển được ở vị trí bằng khơng.- Kết cấu gọn.

- Có thể tăng giảm tốc độ trong thời gian ngắn.Nhược điểm của động cơ BLDC:

- Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giáthành cao.

- Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ khơng cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

Động cơ BLDC có những ưu điểm vượt trội so với các động cơ một chiềuthông thường.

Bảng 1.1 so sánh hai loại động cơ này để thấy được sự giống và khác nhaugiữa hai động cơ từ đó có thể khẳng định chắc chắn hơn những ưu/nhược điểmcủa động cơ BLDC.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

B ng 1.1 So sánh động cơ BLDC và động cơ một chiềuĐộng cơ

BLDC ^{Động cơ 1}chiều ^{Ưu/ nhược điểm của động cơ}BLDC so với động cơ 1 chiềuBộ

Đảo chiềubằng điện tử

dựa trênthơng tincảm biến vị

trí rotor

Đảo chiềuđộng cơđiện cơ khí

bằng chổithan, cổ

Động cơ BLDC sử dụng chuyểnmạch điện tử thay cho chuyển mạch

cơ khí

Hiệu suất Cao Trung bình ^{Điện áp rơi trên các linh kiện điện tử}_{nhỏ hơn điện áp rơi trên chổi than}Bảo trì

Rất ít (có thểkhơng cần

bảo trì) ^{Định kỳ}

Động cơ BLDC sử dụng chuyểnmạch điện tử nên khơng cần bảo trì

định kỳ

Khả năng

tản nhiệt ^Cao

Trung bình,thấp

Động cơ BLDC chỉ sinh nhiệt khilàm việc ở các cuộn dây phần ứng.Và các cuộn dây phần ứng được bốtrí ở Stator cho phép động cơ tảnnhiệt tốt hơn. Đối với động cơ 1chiều, tốn bảo nhiệt suất hiện ở cảdây quấn Stator và rotor. Và việc tản

nhiệt của dây quấn rotor khó khănhơn

Tỷ sốcơng suất

ra so vớikích cỡ

Cao ^{Trung bình,}_thấp ^{BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu}bằng vật liệu tiên tiến, khơng có tổnhao trên rotor

Đặc tíchtốc độ /

momen ^{Bằng phẳng}

Tương đốibằng phẳng

Động cơ BLDC không sinh ra ma sátở rotor làm giảm momenĐáp ứng

Momen quán tính của rotor động cơBLDC thường nhỏ hơn so với động

cơ 1 chiềuDải điều

chỉnh tốc

BLDC không bị giới hạn tốc độ vềmặt cơ khí do cơ cấu chổi than, cổ

BLDC khơng sinh ra tia lửa điện khivận dành do khơng có cơ cấu chổi than, cổ góp vì vậy ít gây nhiễu hơnTuổi thọ Cao Thấp ^{Vì động cơ BLDC khơng có cơ cấu}_{chổi than, cổ góp}

khiển ^{Phức tạp} ^{Đơn giản}

Động cơ BLDC có cảm biến Hall trảgiá trị về để điều khiển các ban

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Giá thành Cao Thấp ^{Do động cơ được kích từ bằng nam}châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giáthành cao

Từ bảng 1.1 ta nhận thấy rằng ưu điểm mà động cơ BLDC mang lại làđảm bảo sự an toàn, đáp ứng được nhu cầu mà động cơ 1 chiều khơng thể có.1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC

Động cơ BLDC (Brushless DC) hay cịn có tên khác động cơ một chiềukhông chổi than là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Thực chấtđộng cơ BLDC không phải là động cơ một chiều mà động cơ xoay chiều đồng bộdo động cơ thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm. Hình 1.2 minh họa cấu tạocủa động cơ BLDC ba pha điển hình. Hình 1.3 là hình ảnh cấu tạo của động cơBLDC ba pha đang được đặt tại phòng 207 nhà C1B.

Khác với ĐCMC truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điệntử thay cho kết cấu cổ góp-chổi than để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộndây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được điều đóphần ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơBLDC và động cơ một chiều truyền thống có sự hốn đổi vị trí giữa phần cảm vàphần ứng, phần cảm trên rotor và phần ứng trên stator.

H nh 1.2 Cấu tạo của động cơ BLDC

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

H nh 1.3 Cấu tạo của động cơ BLDC đang được đặt ở phịng 207 nhà C1BCũng chính vì cấu tạo khơng có cơ cấu cổ góp - chổi than nên động cơBLDC mới có nhiều ưu điểm hơn so với các động co một chiều thông thườngnhư ta đã kể ra ở phần trên.

H nh 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ

Từ hình 1.4 ta thấy rằng động cơ BLDC là sự kết hợp từ động cơ xoaychiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu và bộ chuyển mạch điện tửtheo vị trí rotor. Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoaychiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khácbiệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiềuđồng bộ là nó kết hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trícủa cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử.

Để xác định vị trí rotor người ta thường sử dụng cảm biến vị trí, hầu hếtcác cảm biến Hall, tuy nhiên cũng có một vài động cơ dùng cảm biến quang học.Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động cơ bapha, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổ biếnvì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Stator động cơ BLDC

Khác với ĐCMC thông thường, stator của động cơ BLDC là phần ứng.Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với các cuộndây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của stator. Theotruyền thống cấu tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của cácđộng cơ cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác.

H nh 1.5 Stator động cơ BLDC

Hầu hết tất cả các động cơ một chiều khơng chổi than có 3 cuộn dây đấuvới nhau theo hình sao (Y) hoặc hình tam giác (∆). Mỗi một cuộn dây được cấutạo bởi một số lượng các bối dây nối liền với nhau. Các bối dây này được sắp xếptrong các khe hở và chúng được nối liền với nhau để tạo thành một cuộn dây.Mỗi một trong các cuộn dây được phân bố trên chu vi của stator theo trình tựthích hợp để tạo nên một số chẵn các cực. Cách bố trí và số rãnh của stator củađộng cơ khác nhau thì cho chúng ta số cực của động cơ khác nhau.

H nh 1.6 Dạng sức điện động của động cơ BLDC

BLDC thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3 pha tương ứng với cácloại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 3. Phụ thuộc vào khả năng cấp côngsuất điều khiển, có thể chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặcbằng 48V được dùng trong máy tự động, robot, các chuyển động nhỏ. Các độngcơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứngdụng cơng nghiệp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Bách, Lưới điện và hệ thống điện, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật,2004.

[2] Abe Masayuki, “A Practical Approach to Accurate Fault Location on ExtraHigh Voltage Teed Feeders,” IEEE Transaction on Power Delivery, pp. 159-168, 1995.

[3] N. V. L. Bùi Quốc Khánh, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.

[4] STMicroelectronics, datasheet STM32F103C8T6.[5] International Rectifier, datasheet IR2110/IR2113.[6] International Rectifier, datasheet IRFZ44N.[7] Instruments Texas, datasheet LM2576, LM2576HV.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

PHỤ LỤCCode điều khiển động cơ BLDC

5 /* USER CODE BEGIN Header */6 /**

7

8 * @file : main.c

9 * @brief : Main program body10

11 * @attention12 *

13 * Copyright (c) 2023 STMicroelectronics.14 * All rights reserved.

21 */

22 /* USER CODE END Header */23 /* Includes

---24 #include "main.h"25

26 /* Private includes

---27 /* USER CODE BEGIN Includes */28

29 /* USER CODE END Includes */30

</div>