Động cơ BLDC: Nghiên cứu & ứng dụng

Hệ thống tự động hóa sử dụng động cơ điện truyền thống thường được thiết kế với các phần tử tương tự, tương đối rẻ tiền. Tuy nhiên, điểm yếu chính nằm ở độ nhạy cảm cao với sự thay đổi nhiệt độ, dẫn đến tuổi thọ của các thành phần bị giảm đáng kể. Một nhược điểm khác là khả năng mở rộng và nâng cấp hạn chế, gây khó khăn trong việc tích hợp và cập nhật công nghệ. Những hạn chế này làm giảm hiệu quả và độ bền của hệ thống, cần phải có giải pháp thay thế hiệu quả hơn.

Ngược lại với hệ thống truyền thống, các cấu trúc điều khiển số sử dụng trong hệ thống tự động hóa với động cơ BLDC (động cơ một chiều không chổi than) khắc phục được hầu hết các nhược điểm kể trên. Việc sử dụng các bộ xử lý có thể lập trình giúp quá trình nâng cấp trở nên dễ dàng, chỉ cần cập nhật phần mềm. Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép thực hiện các bài toán điều khiển phức tạp, đòi hỏi độ phân giải cao và tốc độ xử lý lớn, đặc biệt là các bài toán điều khiển thời gian thực. Khả năng tối thiểu hóa thời gian trễ trong mạch vòng điều khiển góp phần nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Bên cạnh đó, điều khiển hiệu suất cao cũng giúp giảm dao động mô-men, giảm tổn thất công suất đáng kể, đặc biệt là tổn thất do các điều hòa bậc cao gây ra trong rotor. Cuối cùng, các dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hóa các phần tử công suất và bộ lọc đầu vào, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

Những tiến bộ gần đây trong vật liệu từ (nam châm vĩnh cửu), điện tử công suất, và kỹ thuật điều khiển hiện đại đã thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi động cơ BLDC trong các hệ thống tự động hóa. Động cơ BLDC, đặc biệt được chú trọng nghiên cứu và sử dụng trong các hệ thống đòi hỏi độ tin cậy cao trong điều kiện làm việc đặc biệt như môi trường chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh hoặc dễ cháy nổ. Việc không sử dụng bộ phận đổi chiều cơ khí (vành góp, chổi than) giúp khắc phục hầu hết nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. Hiệu suất cao, giảm tổn thất công suất, không cần bảo dưỡng, và quán tính rotor nhỏ là những yếu tố quan trọng làm tăng nhu cầu sử dụng động cơ BLDC trong các ứng dụng rô-bốt và servo công suất lớn. Sự phát triển của các thiết bị công suất hiện đại như MOSFET, IGBT, GTO và nam châm vĩnh cửu đất hiếm năng lượng cao đã mở rộng hơn nữa khả năng ứng dụng của động cơ BLDC trong các truyền động cần điều chỉnh tốc độ chính xác.

Động cơ BLDC (động cơ một chiều không chổi than) được cấu tạo từ hai phần chính: stator và rotor. Stator bao gồm các lá thép kỹ thuật điện với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong. Cấu tạo stator tương tự như các động cơ cảm ứng khác, nhưng cách phân bố các cuộn dây khác nhau. Hầu hết động cơ BLDC có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình sao hoặc hình tam giác, mỗi cuộn dây lại được tạo thành từ nhiều bối dây nối liền. Số lượng cuộn dây và cách bố trí ảnh hưởng đến số cực của động cơ. Động cơ BLDC thường có cấu hình 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha, tương ứng với số cuộn dây là 1, 2 và 3. Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển và điện áp hoạt động. Động cơ có điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 48V thường được dùng trong các ứng dụng tự động hóa nhỏ, robot, trong khi động cơ trên 100V được sử dụng trong các thiết bị công nghiệp và tự động hóa công nghiệp lớn hơn. Rotor bao gồm một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu, tạo ra từ trường quay tương tác với cuộn dây stator để tạo ra mô-men xoắn.

Khác với động cơ một chiều dùng chổi than, động cơ BLDC được điều khiển hoàn toàn bằng điện tử. Các cuộn dây stator được cấp điện theo một trình tự cụ thể, phụ thuộc vào vị trí của rotor. Việc xác định vị trí rotor là rất quan trọng để đảm bảo cấp điện đúng cho cuộn dây tương ứng. Vị trí của rotor được đo bằng cảm biến vị trí, chủ yếu là cảm biến Hall, nhưng cũng có một số động cơ sử dụng cảm biến quang học. Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall: khi một dòng điện chạy trong một vật dẫn đặt trong từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển, gây ra hiệu điện thế giữa hai mặt của vật dẫn. Hiệu điện thế này được đo để xác định vị trí của rotor. Trong một số động cơ, các nam châm nhỏ hơn (nam châm cảm biến) được gắn trên rotor để đơn giản hóa việc lắp ráp cảm biến Hall. Cảm biến Hall cần được cấp nguồn (4-24V, 5-15mA) và đầu ra thường là loại open-collector, cần điện trở treo để tạo tín hiệu xung vuông.

Quá trình cấp điện cho các cuộn dây stator của động cơ BLDC được thực hiện thông qua việc chuyển mạch các van bán dẫn công suất. Cụ thể, cuộn dây stator được cấp điện theo thứ tự, không ngẫu nhiên, dựa trên tín hiệu vị trí rotor từ cảm biến Hall. Mỗi khi cực nam châm của rotor đi qua cảm biến Hall, cảm biến gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp, xác định vị trí chính xác của rotor. Tổ hợp tín hiệu từ các cảm biến Hall sẽ quyết định thứ tự chuyển mạch chính xác. Đối với truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính), một bộ nghịch lưu độc lập với 6 van chuyển mạch (MOSFET cho động cơ công suất nhỏ, IGBT cho động cơ công suất lớn) được sử dụng. Các điốt được mắc song song với các van để đảm bảo dẫn dòng khi van không dẫn. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor để điều khiển các van, thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn stator tương tự như vành góp chổi than trong động cơ một chiều thông thường. Khi động cơ quay, mỗi cuộn dây tạo ra sức phản điện động chống lại điện áp nguồn, phụ thuộc vào vận tốc góc của rotor, từ trường của nam châm vĩnh cửu và số vòng dây trong mỗi cuộn.

Mặc dù thường được cho là có đặc tính tĩnh giống nhau, động cơ BLDC và động cơ một chiều thông thường (ĐCMC) thực tế có những khác biệt đáng kể. Khi so sánh hai loại động cơ này dựa trên công nghệ hiện tại, người ta thường tập trung vào những điểm khác biệt hơn là sự giống nhau. Sự khác biệt này chủ yếu nằm ở cấu tạo và nguyên lý hoạt động, dẫn đến những ưu điểm vượt trội của động cơ BLDC về hiệu suất, độ tin cậy và khả năng bảo trì. Điều này cho thấy rằng mặc dù về mặt lý thuyết, đặc tính tĩnh có thể tương đồng, nhưng sự khác biệt về công nghệ làm cho hai loại động cơ này có những ứng dụng khác nhau.

Động cơ BLDC khắc phục được hầu hết nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. Cụ thể, do không có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp và chổi than, động cơ BLDC loại bỏ được ma sát cơ khí, giảm tổn thất công suất và tăng hiệu suất. Việc không cần bảo dưỡng định kỳ cũng là một ưu điểm lớn, giảm chi phí vận hành và thời gian ngừng hoạt động. Thêm vào đó, quán tính rotor nhỏ của động cơ BLDC giúp cải thiện khả năng đáp ứng nhanh, chính xác, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cần điều khiển tốc độ chính xác như rô-bốt và servo công suất lớn. Sự ra đời của các thiết bị công suất hiện đại như MOSFET, IGBT, GTO và nam châm vĩnh cửu đất hiếm năng lượng cao đã góp phần tăng cường các ứng dụng của động cơ BLDC trong các truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác và nhanh chóng.

Mô hình toán học đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích, khảo sát và thiết kế hệ thống điều khiển động cơ BLDC. Mô hình này mô tả các mối quan hệ toán học giữa các đại lượng vật lý của động cơ, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán phức tạp. Trong tài liệu, mô hình toán học tập trung vào mô tả mô-men điện từ, được tính toán dựa trên công suất cơ và công suất điện. Do ma sát và tổn hao trong động cơ nhỏ, công suất điện cấp cho động cơ gần bằng công suất cơ trên trục. Một khía cạnh quan trọng khác là sức phản điện động, được tạo ra khi động cơ quay. Sức phản điện động phụ thuộc vào vận tốc góc của rotor, từ trường do nam châm vĩnh cửu tạo ra và số vòng dây trong mỗi cuộn dây stator. Việc xây dựng mô hình toán học chính xác là nền tảng cho việc thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

Bộ điều khiển PID (Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân) là một trong những bộ điều khiển thông dụng nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ BLDC, hai thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Điều khiển tốc độ đảm bảo tốc độ thực của động cơ theo đúng tốc độ đặt, trong khi điều khiển dòng điện (tức điều khiển mô-men) đảm bảo động cơ cung cấp mô-men xoắn cần thiết cho tải. Sự kết hợp của khâu PI và PD trong bộ điều khiển PID giúp giảm độ vọt lố, đáp ứng nhanh hơn và ổn định hệ thống. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc sử dụng khâu PID có thể dẫn đến sự dao động của hệ thống do đáp ứng quá độ bị vọt lố. Tài liệu cũng đề cập đến phương pháp điều khiển động cơ BLDC không sử dụng cảm biến (sensorless control), dựa trên ước lượng từ thông rotor và thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ. Phương pháp này chỉ áp dụng được cho phương pháp điện áp hình thang.

Trong công nghiệp, việc xử lý thông tin phải đảm bảo tính thời gian thực. Đối với động cơ BLDC công suất lớn (ví dụ: 30kW), các van của bộ biến đổi cần dòng điện lớn (vài trăm ampe). Do đó, tín hiệu điều khiển từ vi xử lý không đủ điện áp để mở các van, cần thêm mạch đệm để kích hoạt van IGBT. Tài liệu đề cập đến việc sử dụng vi xử lý 30F4011 và các chip DSPIC của Microchip, chuyên hỗ trợ điều khiển các loại động cơ, bao gồm cả động cơ BLDC. Các chip DSPIC có module ADC tốc độ cao (10-bit, lên đến 1 MSPS hoặc 12-bit, lên đến 200 ksps) đáp ứng yêu cầu lấy mẫu tín hiệu của các bộ điều khiển truyền động điện. Module ADC sử dụng thuật toán successive approximation register (SAR) với thời gian chuyển đổi đã được xác định trước. Quá trình chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số gồm hai giai đoạn: lấy mẫu và chuyển đổi, có thể được thực hiện thủ công hoặc tự động. Thời gian lấy mẫu phụ thuộc vào cấu hình thiết lập.

Đối với động cơ BLDC công suất lớn như 30kW, việc sử dụng nguồn một chiều thông thường như acquy là không khả thi do năng lượng không đủ. Vì vậy, cần thiết phải sử dụng bộ chỉnh lưu để tạo ra điện áp một chiều từ nguồn ba pha. Bộ chỉnh lưu ba pha được lựa chọn thay vì chỉnh lưu một pha vì khả năng cung cấp công suất đầu vào lớn hơn, tránh dòng điện quá lớn gây tốn kém và giảm hiệu quả. Hai lựa chọn chính cho bộ chỉnh lưu ba pha là chỉnh lưu hình tia và chỉnh lưu cầu. Chỉnh lưu cầu được ưu tiên hơn vì điện áp rơi trên van nhỏ hơn, thuận lợi cho việc lựa chọn van. Để động cơ BLDC quay, cần cấp điện cho các cuộn dây stato theo quy luật đã định sẵn thông qua bộ nghịch lưu. Việc lựa chọn mạch chỉnh lưu cần đảm bảo dạng điện áp ra phẳng để thực hiện điều chế độ rộng xung PWM (PWM) với tần số cao, giúp điều khiển động cơ trơn tru và mở rộng vùng tốc độ điều chỉnh.

Mạch điều khiển cho động cơ BLDC 30kW thường sử dụng vi xử lý (ví dụ: 30F4011) để thực hiện các thuật toán điều khiển. Tuy nhiên, do dòng điện lớn (vài trăm ampe) cần thiết để mở các van IGBT trong bộ biến đổi, tín hiệu điều khiển từ vi xử lý thường không đủ điện áp. Vì vậy, cần thêm mạch đệm để kích hoạt van IGBT một cách hiệu quả. Tài liệu đề cập đến việc sử dụng vi xử lý chuyên dụng của Microchip, được thiết kế để hỗ trợ điều khiển các loại động cơ, bao gồm cả động cơ BLDC. Các vi xử lý này cung cấp sẵn các cổng ra điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển các van IGBT. Việc sử dụng chip DSPIC với module ADC (Analog-to-Digital Converter) 10-bit tốc độ cao (lên đến 1 MSPS) được đề xuất để đáp ứng yêu cầu lấy mẫu tín hiệu nhanh chóng trong điều khiển thời gian thực. Thời gian lấy mẫu có thể được điều chỉnh linh hoạt tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống.

Để đảm bảo tính mở rộng và độ tin cậy của mạch điều khiển, cả hai mạch phản hồi tốc độ từ phát tốc (qua mạch chiết áp và tụ lọc) và encoder (đếm xung trực tiếp) được thiết kế. Tín hiệu phản hồi tốc độ được đưa vào chân ADC để chuyển thành dữ liệu số cho CPU xử lý. Ngoài ra, mạch vào/ra sử dụng nút ấn và đèn LED để kiểm tra chương trình và hiển thị thông tin, giúp việc phát hiện và sửa lỗi dễ dàng hơn. Đèn LED dùng để kiểm tra chương trình và hiển thị khi cần thiết, trong khi nút bấm dùng để khởi động chương trình. Việc lựa chọn phương pháp phản hồi tốc độ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Tóm lại, thiết kế mạch điện và điều khiển cho động cơ BLDC 30kW cần cân nhắc nhiều yếu tố, bao gồm nguồn cấp, loại vi xử lý, mạch đệm, phương pháp phản hồi tốc độ và các mạch bảo vệ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

Để đơn giản hóa quá trình thiết kế và phân tích bộ điều khiển cho động cơ BLDC, đặc biệt là đối với động cơ có nhiều thông số, người ta thường sử dụng mô hình tương đương một pha. Đây là bước cơ sở để tạo ra mô hình điều khiển. Các thông số của bộ điều khiển sau đó có thể được hiệu chỉnh lại sau khi tiến hành ghép nối với toàn bộ hệ thống. Đầu vào của bộ điều chỉnh thường là tín hiệu sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế. Đầu ra có thể được dùng làm tín hiệu điều khiển cho các bộ điều chỉnh khác hoặc đối tượng khác trong hệ truyền động. Việc lựa chọn bộ điều chỉnh (số, tương tự, xung, thích nghi) phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiển PID (Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân) là một trong những bộ điều khiển thông dụng nhất hiện nay do cấu trúc đơn giản và phương pháp tìm tham số dễ dàng. Tổng hợp bộ điều chỉnh cho các hệ thống nhiều thông số thường được thực hiện bằng cách phân tích hệ thống thành nhiều vòng lặp, mỗi vòng lặp đại diện cho một thông số. Mục tiêu cuối cùng là tìm ra bộ tham số tối ưu cho bộ điều khiển.

Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển cho các mạch vòng điều chỉnh (ví dụ: vòng điều khiển tốc độ và vòng điều khiển dòng điện), cần ghép các mạch vòng lại để tạo ra mô hình hoàn chỉnh của hệ thống. Mô hình đầy đủ này giúp kiểm tra tính chính xác của quá trình tổng hợp và đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện bỏ qua trong quá trình đơn giản hóa. Trong quá trình mô phỏng, việc lựa chọn phương pháp thu thập dữ liệu phản hồi là rất quan trọng. Việc đo dòng điện trên cả 3 pha động cơ giúp tăng độ chính xác của tín hiệu phản hồi, đặc biệt là pha của tín hiệu dòng, mặc dù điều này làm tăng độ phức tạp của hệ thống. Để thu thập dữ liệu sức phản điện động, người ta có thể sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha điều khiển bằng biến tần để kéo động cơ BLDC quay với tốc độ cao (ví dụ: 1000 vòng/phút). Dữ liệu sức phản điện động thu được sẽ được sử dụng trong mô phỏng để đảm bảo độ chính xác của mô hình. Độ chính xác của việc đo đạc ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mô phỏng và việc tìm kiếm tham số tối ưu cho bộ điều khiển.

Tài liệu đề cập đến việc sử dụng các khối chức năng như khối tích phân (tích phân tốc độ để tính vị trí rotor), hàm rem(0, 2pi) (giới hạn góc quay rotor trong đoạn [0, 2pi]), và bảng Lookup Table (để tạo dạng sức phản điện động và dòng điện chuẩn). Điện trở của bóng MOSFET trong mô hình cần được điều chỉnh cho phù hợp với thực tế, tránh sai lệch trong quá trình mô phỏng. Khối tạo dạng dòng điện tạo ra 3 dòng điện chuẩn 3 pha lệch nhau 120 độ, dùng làm dòng điện đặt cho mạch vòng dòng điện. Dòng điện đặt được so sánh với dòng điện thực tế phản hồi từ động cơ. Khối Pulse Generator tạo ra 6 tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) điều khiển 6 van của bộ nghịch lưu 3 pha. Việc đảo các tín hiệu PWM đảm bảo không có 2 van cùng nhánh dẫn, tránh ngắn mạch nguồn. Các file dữ liệu, như EMF1000.m chứa thông tin về bảng sức phản điện động, cần được sử dụng trong mô phỏng để đảm bảo tính chính xác.