Loạt bài về Ô tô điện – Bài 2

Bài đã đăng trên Tạp chí Tự động hóa Ngày nay số 127, tháng 6/2011.

Đây là bài thứ hai trong tổng số 4 bài của các tác giả về chủ đề này.

Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện

Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh

Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện. Trong bài báo này, trước tiên những ưu điểm của động cơ điện so với động cơ đốt trong và yêu cầu của động cơ cho ô tô điện sẽ được làm rõ. Sau đó, các tác giả giới thiệu và phân tích ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng của một số loại động cơ đã, đang và sẽ được sử dụng cho ô tô điện. Một số kiến thức chuyên môn có thể khó hiểu đối với những bạn đọc không cùng chuyên ngành, chúng tôi cố gắng diễn giải chúng một cách trực quan, dễ hiểu. Khi cần tìm hiểu sâu, bạn đọc có thể tham khảo những tài liệu được liệt kê ở cuối bài báo.

Read the rest of this entry »

Mô phỏng hệ truyền động BLDC sử dụng Matlab/Simulink

Mô phỏng hệ truyền động BLDC sử dụng Matlab/Simulink


Hệ truyền động BLDC được mô phỏng sử dụng Matlab/Simulink. Mô hình động cơ BLDC, nguồn 1 chiều, bộ biến đổi công suất IGBT được lấy trong thư viện SimPowerSystem của Simulink, khối giải mã tín hiệu Hall được lấy từ demo của Matlab. Các khối còn lại do người viết tự xây dựng.

Sơ đồ mô phỏng tổng thể trên Simulink:


Hình 15: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động BLDC trên Simulink


Khối giải mã tín hiệu Hall (Hall Decoder):


Hình 16: Khối giải mã tín hiệu Hall


Khối điều khiển dải trễ dòng điện Hysteresis Current Control – HCC:


Hình 17: Khối điều khiển dải trễ dòng điện HCC


Bộ điều khiển tốc độ Speed Regulator được thiết kế bởi khâu PI và khâu hạn chế dòng.

Kết quả mô phỏng:

Đáp ứng bước nhảy của tốc độ và moment động cơ:


Hình 18: Đáp ứng tốc độ và moment


Ta thấy rằng moment của động cơ tồn tại các nhấp nhô (ripple). Các nhấp nhô này có thể chia thành 2 loại: nhấp nhô do khâu PWM của bộ điều chỉnh dòng và nhấp nhô do chuyển mạch dòng điện.

Loại thứ nhất là nhấp nhô do khâu PWM có thể bỏ qua vì các nhấp nhô này có biên độ nhỏ và tần số lớn, khi nối động cơ vào tải (có tính chất quán tính) thì nhấp nhô này gần như bị lọc bỏ hoàn toàn. Loại nhấp nhô thứ hai là nhấp nhô do chuyển mạch dòng điện, có tần suất là 6 lần trong 1 chu kì.

Đây là nhấp nhô có biên độ lớn và tần số nhỏ, sẽ gây rung, lắc động cơ và khi chạy ở tốc độ thấp sẽ khó ổn định tốc độ.

Ta nhìn cận cảnh để thấy rõ hơn điều này:


Hình 19: Nhấp nhô moment do PWM và do chuyển mạch dòng điện


Sức phản điện động dạng sóng hình thang:


Hình 20: Sức phản điện động


Dòng điện 3 pha đã được điều khiển:


Hình 21: Dòng điện 3 pha


Dòng điện và sức phản điện động 3 pha của BLDC khi vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ cho thấy rõ ràng tính chất “một chiều” của loại động cơ này:


Hình 22: Dòng điện và sức phản điện động 3 pha


Quỹ đạo từ thông của động cơ khi không tải có dạng hình tròn:


Hình 23: Quỹ đạo từ thông khi không tải


Khi có tải, quỹ đạo từ thông xuất hiện các “bậc” tại thời điểm chuyển mạch:


Hình 24: Quỹ đạo từ thông khi có tải

Một cái nhìn rõ hơn về sự chuyển mạch dòng điện không lý tưởng và đập mạch dòng điện do PWM:


Hình 25: Sự chuyển mạch dòng điện không lý tưởng và đập mạch PWM

Động cơ một chiều không chổi than – Brushless DC Motor

Động cơ một chiều không chổi than – Brushless DC Motor


Động cơ BLDC mặc dù có tên là “một chiều không chổi than” nhưng nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều. Ta sẽ nói lý do tại sao nó có tên như vậy ở phần sau.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia thành 2 loại:
-Động cơ (sóng) hình sin
-Động cơ (sóng) hình thang

Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor). Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), .v.v. Như nhiều người vẫn nghĩ.

Hình 1: Sức phản điện động dạng hình thang


Cấu tạo của động cơ BLDC:

-Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà ta thấy. Nếu không quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ, ta có thể bỏ qua sự phức tạp này.

Hình 2: Stator động cơ BLDC


-Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác.

Hình 3: Rotor động cơ BLDC


-Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor.


Hình 4: Minh họa hoạt động Hall sensor

Hình 5: Hall sensor gắn trên stator

Cần chú ý là Hall sensor được gắn trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor. Hình vẽ sau đây hay được sử dụng trong các tài liệu về BLDC và nó tạo hiểu nhầm rằng người ta gắn Hall sensor trên rotor. Thực tế là Hall sensor được gắn trên stator. Application note AN885 của hãng Microchip đưa ra hình vẽ này và họ cũng giải thích rằng Hall sensor được gắn trên stator: Hall sensors are embedded into the stationary part of the motor. Embedding the Hall sensors into the stator is a complex process because any misalignment in these Hall sensors, with respect to the rotor magnets, will generate an error in determination of the rotor position.

Hình 6: Hình vẽ minh họa cấu tạo BLDC của Microchip


Dạng sóng sức phản điện động pha, dây và tín hiệu đưa về từ Hall sensor:

Hình 7: Sức phản điện động pha, dây và tín hiệu Hall sensor


Điều khiển động cơ BLDC:

Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng cắt các khóa mạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor đưa về.

Sơ đồ nguyên lý mạch lực và động cơ như sau:

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch lực



Hình 9: Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC

Chế độ điều khiển này gọi là chế độ điều khiển 120o. Đây là chế độ điều khiển cơ bản của BLDC, các chế độ khác tạm thời chưa xét đến.

Ta thấy rằng, trong một thời điểm bất kì luôn luôn chỉ có 2 pha dẫn điện, do đó ta còn gọi đây là chế độ điều khiển 2 pha dẫn. Chế độ khác (3 pha dẫn) cũng chưa xét ở đây.

Dưới mỗi pha dẫn ta thấy đều có dòng điện 1 chiều và sức điện động 1 chiều, do đó động cơ BLDC có đặc tính cơ và đặc tính điều khiển giống với động cơ 1 chiều. Chính vì thế mà động cơ này có tên gọi là “động cơ một chiều không chổi than” chứ thực ra nó là động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu.

Hình 10: Đặc tính cơ moment – tốc độ của động cơ BLDC


Ta xem trước hình ảnh một kết quả mô phỏng (sẽ trình bày mô phỏng ở phần sau) để thấy rõ hơn điều vừa nói:

Hình 11: Sức phản điện động và dòng điện 3 pha


Trên hình vẽ là quá trình khởi động, chạy không tải và sau khi đóng tải của động cơ BLDC. Ta thấy rõ ràng các pha (với các màu khác nhau) thay nhau dẫn và tính chất “một chiều” của chúng.

Để thực hiện nguyên lý điều khiển trên, cấu hình điều khiển dải trễ dòng điện (Hysteresis Current Control – HCC) được thực hiện và đó là cấu hình điều khiển kinh điển cho động cơ BLDC.

Hình 12: Nguyên lý điều khiển dải trễ dòng điện – HCC


Vòng điều khiển tốc độ ở ngoài giống với động cơ một chiều. Sai số giữa tốc độ đặt và tốc độ thực được đưa vào bộ điều chỉnh tốc độ G, đầu ra của bộ điều chỉnh G là lượng đặt dòng điện Id*.

Tín hiệu Hall sensor đưa về được giải mã thành thông tin về dòng điện yêu cầu ở 3 pha Ia, Ib, Ic được kết hợp với giá trị dòng Id* qua khâu logic và đưa ra các lượng đặt dòng điện Ia*, Ib*, Ic*.

Ba khâu relay 2 trạng thái được sử dụng để đóng cắt các khóa mạch lực nhằm bơm các dòng điện này vào động cơ – phương pháp điều khiển dải trễ dòng điện.

Dòng điện trong các pha có dạng như sau:

Hình 13: Dòng điện, sức phản điện động trong nguyên lý điều khiển dải trễ


Dễ nhận thấy rằng với phương pháp điều chỉnh dòng HCC, dòng điện chuyển mạch 6 lần trong 1 chu kì. Sự chuyển mạch không lý tưởng (không tức thời, thời gian lên và xuống không bằng nhau) gây nên những hạn chế của động cơ BLDC:
-Nhấp nhô moment
-Quỹ đạo từ thông không tròn, khó xác định

Nhấp nhô moment (torque ripple) là điểm yếu của động cơ BLDC, một số lượng lớn các nghiên cứu về động cơ BLDC là làm sao giảm được sự nhấp nhô này.

Thông thường, quỹ đạo từ thông của động cơ phải có hình tròn, nhưng do sự chuyển mạch không lý tưởng của dòng điện nên quỹ đạo từ thông của động cơ BLDC có 6 “gai”, “bậc” trong 1 chu kì. Việc ước lượng từ thông tại các “bậc” đó là rất khó khăn, do đó rất khó điều khiển từ thông động cơ BLDC. Việc điều khiển động cơ BLDC cho đến nay đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó.



Hình 14: Quỹ đạo từ thông stator không tròn với 6 “bậc” trong 1 chu kì

Phần sau: Mô phỏng hệ truyền động BLDC sử dụng Matlab/Simulink

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.