THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỀ 3 PHA XE MÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG
ĐỘNG CƠ ĐỀ 3 PHA XE MÁY

GVHD: ThS. NGUYỄN TRỌNG THỨC
SVTH:
NGUYỄN BẢO DUY

- 17145101

NGUYỄN ĐỨC HỒNG PHÚC - 17145202

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG
ĐỘNG CƠ ĐỀ 3 PHA XE MÁY

GVHD: ThS. NGUYỄN TRỌNG THỨC
SVTH:

NGUYỄN BẢO DUY

- 17145101

NGUYỄN ĐỨC HỒNG PHÚC - 17145202

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2021


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2021
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

1. NGUYỄN BẢO DUY

MSSV: 17145101

2. NGUYỄN ĐỨC HOÀNG PHÚC

MSSV: 17145202

Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơtơ
Tên tiếng Anh: Automotive Engineering Technology
Hệ đào tạo: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
Mã hệ đào tạo: K17145
Khóa: 2017
Lớp: 171454CL5
1. Tên đề tài:

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỀ 3 PHA XE MÁY
2. Nhiệm vụ đề tài:
 Nghiên cứu về động cơ đề 3 pha xe máy
 Nghiên cứu về động cơ điện 1 chiều khơng chổi than
 Tìm hiểu về các linh kiện điện tử
 Thiết kế mạch điều khiển động cơ đề 3 pha xe máy
 Thiết kế mơ hình mạch điều khiển
3.Sản phẩm đề tài:
● Quyển thuyết minh
● Mạch điều khiển khởi động
● Mơ hình mạch điều khiển động cơ đề
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 28/12/2020
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 26/08/2021
TRƯỞNG BỘ MÔN

TS. Dương Tuấn Tùng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS. Nguyễn Trọng Thức


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 8 năm 2021
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỀ 3
PHA XE MÁY
Họ tên sinh viên:

1. NGUYỄN BẢO DUY

MSSV: 17145101

2. NGUYỄN ĐỨC HOÀNG PHÚC
MSSV: 17145202
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/ khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): .. .................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .... ..................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

ThS. Nguyễn Trọng Thức

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 8 năm 2021
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỀ 3
PHA XE MÁY
Họ tên sinh viên:

1. NGUYỄN BẢO DUY

MSSV: 17145101

2. NGUYỄN ĐỨC HOÀNG PHÚC
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

MSSV: 17145202

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/ khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): .. .................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): .... ..................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2021
Giảng viên phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

ThS. Vũ Đình Huấn


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 8 năm 2021
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỀ 3
PHA XE MÁY
Họ tên sinh viên:

1. NGUYỄN BẢO DUY

MSSV: 17145101

2. NGUYỄN ĐỨC HOÀNG PHÚC

MSSV: 17145202

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh
đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 08 năm 2021


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu trên cương vị là một sinh viên Trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng em đã đúc kết được rất nhiều
kiến thức, tích lũy những kinh nghiệm quý báu để làm hành trang bước vào cuộc sống.
Có được điều đó chính là nhờ sự giảng dạy, giúp đỡ tận tình của q thầy cơ. Với lòng
biết ơn chân thành và sâu sắc, chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến:
Cha mẹ đã tạo điều kiện học tập tốt nhất đồng thời cũng là chỗ dựa tinh thần khi
chúng con gặp áp lực trong cuộc sống và q trình học tập. Chính sự khích lệ của cha
mẹ đã tạo động lực to lớn giúp con vượt qua tất cả.
Thầy ThS. Nguyễn Trọng Thức, thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn đề tài, bám
sát và ân cần hỗ trợ cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện từ những điều nhỏ nhặt
nhất. Từ đó, bên cạnh vận dụng những kiến thức đã học, chúng em còn được tiếp cận,
bổ sung những điều mới rất bổ ích, sẽ giúp chúng em rất nhiều sau này.
Quý thầy cơ Khoa Cơ khí động lực nói riêng và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Thành phố Hồ Chí Minh nói chung đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức đại
cương cũng như chuyên ngành, tạo điều kiện cho chúng em có một mơi trường rất tốt
trong suốt bốn năm học qua và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Chúng em đã rất cố gắng nhưng đề tài này khơng thể tránh khỏi những thiếu sót,
rất mong những ý kiến đóng góp từ q thầy cơ để được hoàn thiện hơn. Một lần nữa,
chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc q thầy cơ Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Thành phố Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong cuộc

sống và sự nghiệp trồng người.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 08 năm 2021
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Bảo Duy
Nguyễn Đức Hoàng Phúc

I


TÓM TẮT
“Thiết kế, xây dưng mạch điều khiển khởi động đợng cơ đề 3 pha xe máy”
có sản phẩm là một hệ thống điểu khiển khởi động sử dụng đề từ ACG trên xe Honda
Vision 2014 dựa theo nguyên lý hoạt động của động cơ 3 pha không chổi than, đồng thời
tích hợp hệ thống Idling Stop vào sản phẩm. Trong q trình nghiên cứu, nhóm chúng
em đã nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ 3 pha khơng chổi than,
tìm hiểu về các đặc điểm nổi bậc và các phương pháp điều khiển; công nghệ đề từ ACG
và hệ thống Idling stop của các dòng xe máy Honda cụ thể là xe Honda Vision; các
module và các linh kiện sử dụng trong mạch; thiết kế, chế tạo mạch và lập trình điều
khiển; xây dựng mơ hình thực tế. Cụ thể mạch điều khiển sử dụng nguồn điện 12 V từ
ắc quy, nhận thông tin vị trí của rotor từ các cảm biến và cấp điện vào pha thích hợp làm
xoay rotor. Khi kích hoạt chế độ idling stop, vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến
tốc độ và nhiệt độ động cơ điều khiển ngắt động cơ tạm thời và tối ưu hóa q trình tái
khởi động.

II


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT ........................................................................................................................ii

MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii
DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ix
Chương 1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................................ 1

1.1. Đặt vấn đề: ............................................................................................................ 1
1.2. Lý do chọn đề tài: .................................................................................................. 1
1.3. Mục tiêu đề tài:...................................................................................................... 2
1.4. Giới hạn của đề tài: ............................................................................................... 2
1.5. Ý nghĩa thực hiện: ................................................................................................. 2
1.6. Phương pháp nghiên cứu:...................................................................................... 2
Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................. 3

2.1. Giới thiệu về động cơ điện 1 chiều không chổi than: ........................................... 3
2.2. Cấu tạo: ................................................................................................................. 6
2.2.1. Stator: ............................................................................................................. 7
2.2.2. Rotor:.............................................................................................................. 8
2.2.3. Cảm biến Hall (Hall sensor): ......................................................................... 8
2.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator): ............................. 10
2.3. Nguyên lý hoạt động: .......................................................................................... 10
2.4. Một số đặc điểm về điện của động cơ BLDC: .................................................... 10
2.4.1. Mô men điện tử: ........................................................................................... 10
2.4.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của động cơ BLDC:................................. 11
2.4.3. Sức phản điện động: ..................................................................................... 11
2.5. Mơ hình tốn và phương pháp điều khiển động cơ BLDC: ................................ 11

2.5.1. Mơ hình tốn: ............................................................................................... 11

III


2.5.2. Mơ men điện từ: ........................................................................................... 12
2.5.3. Phương trình động học của động cơ BLDC:................................................ 12
2.5.4. Phương trình đặc tính cơ của BLDC:........................................................... 13
2.6. Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC: .................................................... 13
2.6.1. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC 3 pha: .......................................... 14
2.6.2. Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp PWM: ................................. 15
2.7. Công nghệ đề từ ACG trên xe Honda: ................................................................ 17
2.7.1. Nguyên lý hoạt động: ................................................................................... 18
2.7.1.1. Khi ACG là hệ thống khởi động: .......................................................... 18
2.7.1.2. Khi ACG là máy phát điện:................................................................... 19
2.7.2. Yêu cầu của hệ thống đề từ ACG: ............................................................... 20
2.8. Hệ thống Idling stop: ........................................................................................... 21
2.8.1. Nguyên lý hoạt động: ................................................................................... 22
2.8.2. Ưu điểm:....................................................................................................... 23
Chương 3

GIỚI THIỆU MODULE VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ..................... 25

3.1. Vi điều khiển Arduino Mega 2560: .................................................................... 25
3.2. IR2110: ................................................................................................................ 27
3.3. MOSFET IRF3710: ............................................................................................. 28
3.4. Diode 1N4148: .................................................................................................... 30
3.5. Tụ tantalum 22 µF: .............................................................................................. 31
3.6. Tụ hóa 2200 µF: .................................................................................................. 31
3.7. Ổn áp 7805: ......................................................................................................... 32

3.8. Ổn áp 7812: ......................................................................................................... 32
3.9. Tụ hóa 100 µF: .................................................................................................... 33
Chương 4

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ....................................................................... 34

4.1. Thiết kế và thi cơng phần cơ khí: ........................................................................ 34
4.1.1. Mục đích: ..................................................................................................... 34
4.1.2. Thiết kế khung trên phần mềm solidwork: .................................................. 34
4.1.3. Tiến hành thi công lắp ráp các hệ thống: ..................................................... 34

IV


4.1.3.1. Lựa chọn vật liệu làm khung: ............................................................... 34
4.1.3.2. Chọn dây curoa có độ dài phù hợp: ...................................................... 36
4.1.3.3. Tiến hành lắp ráp:.................................................................................. 37
4.2. Thiết kế và thi công mạch điện: .......................................................................... 38
4.2.1. Mục đích: ..................................................................................................... 38
4.2.2. Sơ đồ khối tổng quát: ................................................................................... 39
4.2.3. Thiết kế mạch: .............................................................................................. 40
4.2.3.1. Thiết kế mạch cấp nguồn cho cảm biến Hall của motor: ...................... 41
4.2.3.2. Thiết kế mạch điều khiển các pha của motor:....................................... 42
4.2.4. Thiết kế và thi công mạch PCB: .................................................................. 42
4.2.4.1. Mục đích: .............................................................................................. 42
4.2.4.2. Thiết kế mạch PCB ............................................................................... 42
4.2.4.3. Thi công mạch PCB: ............................................................................. 44
4.3. Kết quả thực nghiệm: .......................................................................................... 45
4.3.1. Kết nối mạch vào mơ hình: .......................................................................... 45
4.3.2. Vận hành mơ hình: ....................................................................................... 47

4.3.3. Kết quả thực nghiệm .................................................................................... 49
Chương 5

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................. 50

5.1. Kết luận ............................................................................................................... 50
5.2. Hướng phát triển ................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 51

V


DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT
BLDC: Brushless Direct Current
DC: Direct Current
PWM: Pulse-Width Modulation
ACG: Alternating Current Generator
ECM: Engine Control Module
FET: Field Effect Transistor
MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
UART: Universal asynchronous receiver-transmitter
USB: Universal Serial Bus
ICSP: Interagency Committee on Standards Policy
IGBT: Insulated-gate Bipolar Transistor
IC: Integrated Circuit
LED: Light-Emitting Diode
ACG: Alternating Current Generator

VI

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Tổng qt động cơ điện ba pha khơng chổi than ............................................ 3
Hình 2.2: Cấu trúc tổng quát của động cơ BLDC ........................................................... 6
Hình 2.3: Stator của động cơ BLDC điển hình ............................................................... 7
Hình 2.4: Các kiểu Rotor thường gặp ............................................................................. 8
Hình 2.5: Mặt cắt ngang động cơ BLDC ........................................................................ 9
Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển động cơ BLDC .................................................................. 14
Hình 2.7: Điều khiển xung PWM.................................................................................. 16
Hình 2.8: Wa lăng xe máy Honda Vision 2014 ............................................................ 17
Hình 2.9: Cấu tạo của động cơ đề ACG ........................................................................ 17
Hình 2.10: Mặt cắt ngang hệ thống khởi động ACG .................................................... 18
Hình 2.11: Mặt cắt ngang hệ thống ACG trong vai trị máy phát ................................. 19
Hình 2.12: Nút kích hoạt hệ thống Idling stop .............................................................. 21
Hình 2.13: Biểu tượng Idling stop đang hoạt động ....................................................... 22
Hình 2.14: 4 chế độ điều khiển của ECU ...................................................................... 22
Hình 2.15: Đồ thị so sánh quãng thời gian từ khi mở bước ga tới khi xe chuyển động
trong trường hợp động cơ chạy không tải và động cơ ngưng hoạt động ....................... 23
Hình 3.1: Vi điều khiển arduino Mega 2560................................................................. 25
Hình 3.2: IC driver IR2110 ........................................................................................... 27
Hình 3.3: Cấu tạo và thứ tự chân Ỉ2110 ........................................................................ 27
Hình 3.4: MOSFET IRF3710 ........................................................................................ 28
Hình 3.5: Sơ đồ hai loại MOSFET ................................................................................ 29
Hình 3.6: Diode 1N4148 ............................................................................................... 30
Hình 3.7: Tụ tantalum 22 µF ......................................................................................... 31
Hình 3.8: Tụ hóa 2200 µF ............................................................................................. 31
Hình 3.9: Ổn áp 7805 .................................................................................................... 32
Hình 3.10: Ổn áp 7812 .................................................................................................. 32
Hình 3.11: Tụ hóa 100 µF ............................................................................................. 33
Hình 4.1: Phát thảo khung trên phần mềm Solidwork .................................................. 34

Hình 4.2: Sắt hộp 4x4 .................................................................................................... 35
Hình 4.3: Sắt hộp 3x6 .................................................................................................... 35
Hình 4.4: Cách thức tính chiều dài dây curoa ............................................................... 36
Hình 4.5: Cách bố trí sắp xếp các thiết bị trên khung ................................................... 37
Hình 4.6: Phần khung cơ khí sau khi hồn thiện .......................................................... 38
Hình 4.7: Sơ đồ khối mạch điều khiển .......................................................................... 39
Hình 4.8: Mạch điện tổng điều khiển motor ................................................................. 40

VII


Hình 4.9: Mạch cấp nguồn cho cảm biến Hall .............................................................. 41
Hình 4.10: Mạch điều khiển cấp nguồn cho một pha của motor .................................. 42
Hình 4.11: Mạch điều khiển PCB ................................................................................. 43
Hình 4.12: Mơ phỏng mạch điều khiển ......................................................................... 44
Hình 4.13: Mạch điều khiển thực tế .............................................................................. 45
Hình 4.14: Mạch tổng thể sau khi đã nối dây ............................................................... 46
Hình 4.15: Đèn led sáng biểu thị tín hiệu cảm biến Hall .............................................. 47
Hình 4.16: Màn hình biểu thị tốc độ động cơ và tốc độ của motor .............................. 48

VIII


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: So sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC ................................................. 4
Bảng 2.2: So sánh hai phương pháp điều chế điện áp và phương pháp điều chế dòng
điện ................................................................................................................................. 13
Bảng 2.3: Các trạng thái chuyển mạch của động cơ BLDC.......................................... 15
Bảng 3.1: Tóm tắt thơng số kỹ thuật Arduino board ..................................................... 26
Bảng 3.2: Chức năng các chân của IC Driver ............................................................... 27

IX


Chương 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề:
Đã rất lâu từ khi chiếc động cơ đầu tiên trên thế giới ra đời, so với những ngày
đầu đó thì các loại động cơ chúng ta dùng ngày nay hiện đại và hiệu quả hơn rất nhiều.
Với sự phát triển hằng ngày như vậy bên cạnh những yếu tố về hiệu suất và chi phí vận
hành của các động cơ ngày nay người ta cũng dẫn chuyển hướng quan tâm nhiều hơn
vào vấn đề bảo vệ môi trường. Trong các ngành công nghiệp người ta chuyển sang sử
dụng các loại máy móc sử dụng động cơ điện từ những nhiều năm nay. Đối với các
phương tiện tham gia giao thông, xe điện đang la xu thế của thế giới, các công ty sản
xuất xe ô tô đều bắt tay vào việc nghiên cứu và sản xuất xe điện. Ở một số quốc gia đang
bắt đầu các phong trào khai tử động cơ đốt trong sử dụng xăng dầu, cụ chính phủ Pháp
tuyên bố sẽ chấm dứt hồn tồn việc bn bán xe chạy xăng dầu vào năm 2040. Theo
tính tốn của Bloomberg New Energy Finance (NEF) từ năm 2025 đến năm 2030 xe
điện có thể cạnh tranh ngang ngửa về giá với xe chạy bằng xăng truyền thống mà không
cần đến sự trợ giá của chính phủ và sẽ có một sự bùng nổ trong việc sản xuất xe điện.
Trong bối cảnh các loại động cơ điện lên ngôi, động cơ điện không chổi than tuy
đã xuất hiện từ lâu nhưng những ứng dụng của nó đến ngày nay vẫn là rất lớn. Với nhiều
ưu điểm vượt trội so với loại động cơ sử dụng chổi than thông thường, động cơ điện
không chổi than được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp và các lĩnh vực của
đời sống. Bên cạnh đó loại động cơ này cũng sử dụng làm motor đề cho cả xe gắn máy
lẫn xe ô tô. Nhận thấy được đây là một loại động cơ hoạt động hiệu quả và bền bỉ có thể
mang lại hiệu quả kinh tế cao nhóm quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế xây dựng
mạch điều khiển khởi động động cơ đề 3 pha xe máy”, tạo tiền đề cho việc phát triển
motor xe điện trong tương lai. Đồng thời nhóm chúng em cũng mong muốn mang lại
một giải pháp hiệu quả có thể thay thế hồn tồn động cơ đốt trong trong tương lai giúp

giảm thiểu lượng khí độc hại do loại động cơ này thải ra môi trường. Tạo một môi trường
trong sạch hơn cho các thế hệ sau.
1.2. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay loại motor khởi động sử dụng trên xe máy là một trong những loại motor
hiện đại, bền bỉ nhất, có thể được tái sử dụng nhiều lần và đồng thời hỗ trợ nhiều chức
năng khác của xe như: dừng xe không tắt máy, hỗ trợ sạc ắc quy xe... Ngoài ra, các chức
năng mà động cơ này mang lại là hoàn toàn phù hợp để sử dụng trên các loại xe điện
hiện nay. Với những ưu điểm vượt trội thì tiềm năng ứng dụng của loại động cơ này

1


trong các ngành công nghiệp là rất lớn dẫn đến việc nghiên cứu và ứng dụng loại động
cơ là cần thiết. Thông qua đề tài “Xây dựng thiết kế mạch điều khiển khởi động động
cơ đề 3 pha xe máy”, nhóm mong muốn được nghiên cứu sâu hơn về cấu tạo, nguyên
lý hoạt động và tìm ra các phương thức điều khiển vận hành loại động cơ này tạo điều
kiện cho việc ứng dụng vào các mơ hình xe điện hoặc xe lai điện sau này.
1.3. Mục tiêu đề tài:
Nhóm mong tạo ra một cái mạch có thể điều khiển được motor khởi động được
tích hợp thêm chức năng idling stop. Đồng thời nhóm cũng muốn tạo ra một số tài liệu
tham khảo giúp các bạn học sinh sinh viên khóa sau có nhu cầu tìm hiểu lý thuyết về loại
động cơ điện một chiều không chổi than.
Đây cũng là tiền đề cho các bạn sinh viên tiếp tục tìm hiểu và nâng cấp mơ hình,
hướng tới phát triển motor xe điện. Mang mơ hình từ việc phục vụ cho nghiên cứu trở
thành một sản phẩm có tính kinh tế.
1.4. Giới hạn của đề tài:
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ điện một chiều không chổi than. Đề
tài này tập trung làm rõ vấn đề điều khiển khởi động một motor 3 pha sử dụng motor
khởi động xe Honda Vision 2014 đồng thời tích hợp hệ thống Idling Stop và sử dụng
một số thông số giả lập các trường hợp trong thực tế như nhiệt độ động cơ và tốc độ của

xe.
1.5. Ý nghĩa thực hiện:
Thông qua đề tài “Thiết kế xây dựng mạch điều khiển khởi đợng đợng cơ đề
3 pha xe máy”, nhóm chúng em mong muốn tạo ra một nguồn tài liệu tham khảo giúp
mọi người dễ dàng tiếp cận hơn với loại động cơ này và dễ dàng ứng dụng nó theo những
mục đích riêng. Đồng thời nhóm cũng khuyến khích các bạn khóa sau phát triển đề tài
xây dựng motor xe điện trong tương lai. Giúp chúng ta bắt kịp với xu hướng phát triển
chung của thế giới, góp phần rút ngắn khoảng cách về công nghệ và kinh tế.
1.6. Phương pháp nghiên cứu:
Để đề tài được hồn thành, nhóm chúng em nhận được sự hướng dẫn trực tiếp của
thầy Nguyễn Trọng Thức, đồng thời tìm kiếm chọn lọc thơng tin tài liệu trên mạng, sách
giáo trình trong và ngồi nước, các đồ án tốt nghiệp của anh chị khóa trước… Từ đó đưa
ra cơ sở lý thuyết để thực nghiệm, xây dựng mơ hình và hồn thành đề tài một cách tốt
nhất.

2


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu về động cơ điện 1 chiều không chổi than:
Động cơ điện một chiều đã xuất hiện từ rất lâu. Cuộn dây điện quay do từ trường
tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây kích từ bên trong động cơ điện. Đối với
động cơ điện chỉ có một cặp cực từ, khoảng cách giữa các điện cực là 180°. Rôto của
động cơ điện một chiều thời kỳ đầu là cuộn dây điện, cứ nửa vịng dịng điện thì đổi
chiều. Trong điều kiện đó, cổ góp và chổi than đã được phát minh. Vì chổi than và cổ
góp tiếp xúc với nhau cứ nửa vịng trịn thì sinh ra tia lửa điện. Mặc dù việc sử dụng vật
liệu graphite của bàn chải điện đã làm giảm lượng mài mòn, chổi than cần được thay thế
sau một khoảng thời gian sử dụng nhất định. Do đó, động cơ điện một chiều có các ứng
dụng hạn chế và khơng thể áp dụng cho các tình huống dễ cháy và nổ. Trong khi đó, việc

bảo trì nó rất rắc rối và tốn kém. Để tránh những nhược điểm đó, động cơ một chiều
khơng chổi than ra đời khắc phục những nhược điểm của động cơ một chiều thông
thường. Động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm
vĩnh cửu hay còn gọi là Brushless DC motor (động cơ BLDC). Về cơ bản động cơ BLDC
thực chất là động cơ một chiều có hệ thống đảo chiều dịng điện bán dẫn, sử dụng tín
hiệu phản hồi vị trí Rotor để quyết định việc chuyển mạch. Thông thường, việc xác định
vị trí của Rotor có thể thực hiện bằng cảm biến Hall hoặc encoder. Động cơ BLDC hiện
nay đang rất được quan tâm trong các ứng dụng điều chỉnh tốc độ, điều khiển vị trí chính
xác.

Hình 2.1: Tổng qt động cơ điện ba pha không chổi than

3


Động cơ DC và động cơ BLDC có những khác biệt khá lớn. Việc so sánh ưu và
nhược điểm của hai loại động cơ này sẽ giúp chúng ta thấy rõ sự khác biệt về hai loại
động cơ này.
Bảng 2.1: So sánh giữa động cơ BLDC và động cơ DC
Các thông số so
sánh

Động cơ BLDC

Bộ chuyển mạch

Đảo chiều bằng
điện tử dựa trên
thơng tin từ cảm
biến vị trí Rotor

Ưu/Nhược điểm
của đợng cơ
Động cơ DC
BLDC so với động
cơ DC
Động cơ BLDC sử
dụng chueyẻn
Đảo chiều dòng
mạch điện tử thay
điện bằng chổi than
thế cho chuyển
và cổ góp
mạch cơ

Hiệu suất

Cao

Trung bình

Bảo trì

Rất ít hoặc khơng
cần bảo trì

Định kì

Đáp ứng động

Nhanh

Chậm

Dải điều chỉnh tốc
độ

Cao

Thấp

4

Điện áp rơi trên các
linh kiện điện tử
nhỏ hơn điện áp rơi
trên chổi than
Khơng phải bảo trì
chổi than, cổ góp
Mơ men qn tính
của Rotor động cơ
BLDC thường nhỏ
hơn so với động cơ
một chiều thơng
thường
Động cơ BLDC
khơng bị giới hạn
tốc độ về mặt cơ
khí do chổi than và
cổ góp

Động cơ BLDC
khơng có tia lửa
điện khi vận hành
Nhiễu điện
Thấp
Cao
do khơng có chổi
than cổ góp, vì vậy
ít gây nhiễu điện
hơn
Do động cơ BLDC
Tuổi thọ
Cao
Thấp
khơng cần sử dụng
cổ góp, chổi than
Động cơ BLDC có
cảm biến Hall trả
Điều khiển
Phức tạp
Đơn giản
giá trịnh về để điều
khiển các pha
Do động cơ được
kích từ bằng nam
châm vĩnh cữu nên
Giá thành
Cao

Thấp
khi chế tạo giá
thành cao hơn so
với động cơ DC
thông thường
Từ bảng 2.1 ta nhận thấy rằng ưu điểm mà động cơ điện một chiều không chổi
than mang lại là đảm bảo sự an toàn, đáp ứng được nhu cầu mà động cơ điện một chiều
thông thường khơng thể có. Ngồi ra, động cơ hoạt động với vận tốc cao, vần hành êm
và hiệu suất nâng cao hơn

5


2.2. Cấu tạo:

Hình 2.2: Cấu trúc tổng quát của động cơ BLDC
Động cơ BLDC là một loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Thực chất động
cơ BLDC không phải là một động cơ một chiều mà là động cơ xoay chiều đơng bộ do
dộng cơ thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm
Động cơ BLDC được điều khiển thơng qua các cảm biến để xác định vị trí của
Rotor nhằm tạo ra các tính hiệu đưa về bộ chuyển đổi để điều khiển phản ứng. Động cơ
BLDC có các cảm biến có tể thay đổi chiều quay của động cơ theo vị trí của Rotor.
Việc xác định vị trí Rotor được thực hiện thơng qua các cảm biến vị trí, hầu hết
các cảm biến vị trí Rotor là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một số động cơ sử dụng cảm
biến quang học. Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và có năng suất cao đều là động
cơ ba pha, động cơ BLDC hai pha cũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch
truyền động đơn giản.

6

2.2.1. Stator:

Hình 2.3: Stator của động cơ BLDC điển hình
Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ BLDC chứa dây
quấn phần ứng. Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện với
các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của Stator. Cấu
tạo stator của động cơ BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ cảm ứng khác.
Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự
khác nhau của hình dáng và sức phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản
điện động là dành hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau này mà tên
gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là động cơ BLDC hình sin và động cơ BLDC hình
thang. Dịng điện pha của động cơ tương ứng của có dạng hình sin và hình thang. Điều
này làm cho mơ men của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng phải đắt hơn vì phải có
thêm các bối dây mắc liên tục. Cịn động cơ hình thang thì rẻ hơn những đặc tính mơ
men lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.
BLDC thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha, 3 pha tương ứng với các loại đó thì
Stator có số cuộn dây là 1, 2, 3. Phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển, có thể
chọn động cơ theo tỷ lệ điện áp. Động cơ nhỏ hơn hoặc bằng 48V được dùng trong máy
tự động, Robot, những chuyển động nhỏ các động cơ trên 100V được dùng trong các
thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng cộng nhiệp.

7


2.2.2. Rotor:

Hình 2.4: Các kiểu Rotor thường gặp
Được 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 được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu. Số lượng đôi cực dao động từ 2
đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau. Về cơ bản thì Rotor khơng có
gí khác so với các loại động cơ nam châm vĩnh cửu khác.
Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong Rotor, chất liệu nam châm thích hợp được
chọn tương ứng và trong thực thế nam châm Ferrite thường được sử dụng. Khi công
nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm Ferrite giá
thành rẻ hơn nhưng mật độ thơng lượng trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi đó, vật
liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ kích thước của
Rotor nhưng vẫn đạt được mơ men tương tự. Do đó, với cùng thể tích, mơ men của Rotor
có nam châm hợp kim ln lớn hơn Rotor nam châm Ferrite.
2.2.3. Cảm biến Hall (Hall sensor):
Không giống như động cơ DC, chuyển động của động cơ BLDC được điều khiển
bằng điện từ tức là các cuộn dây của Stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của
các van bán dẫn công suất. Để động cơ làm việc, cuộn dây của Stator được cấp điện theo
thứ tự pha. Tức là tại một thời điểm thì khơng ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả
mà phụ thuộc vào vị trí của Rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều quan
trọng là cần phải xác định vị trí của Rotor và cuộn dây Stator nào tiếp theo sẽ được cấp

8


điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của Rotor được xác định bởi các cảm biến sử dụng hiệu
ứng Hall được đặt ẩn trong Stator ở phần đuôi trục của động cơ
Mỗi khi các cực nam châm của Rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, các
cảm biến sẽ gửi tín hiệu mức 0 hoặc là mức 1 ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua
cảm biến. Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính
xác được xác định. Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall
đó là khi có một dịng điện chạy qua trong một vẫn dẫn được đặt trong một từ trường, từ
trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng

đẩy chúng về một phía của vật dẫn. Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân
bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường. Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện
thế giữa 2 mặt của vật dẫn. Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này là
được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879.

Hình 2.5: Mặt cắt ngang động cơ BLDC
Cảm biến Hall được đặt trong phần đứng yên của động cơ. Việc đặt cảm biến Hall
trong Stator là quá trình phức tạp vì bất cứ sự mất cân đối sẽ dẫn đến việc tạo ra một sai
số trong việc xác định vị trí của Rotor. Để đơn giản quá trình gắn cảm biến lên Stator,
một vài động cơ có các nam châm phụ của cảm biến Hall gắn trên Rotor. Đây là phiên
bản thu nhỏ của nam châm trên Roto. Do đó, mỗi khi Rotor quay, các nam châm thông
thường được gắn trên mạch in và cố định trên nắp đậy động cơ. Điều này cho phép người
dùng có thể điều chỉnh hồn tồn việc lắp ráp các cảm biến Hall để cân chỉnh với nam
châm Rotor, đem lại khả năng hoạt động tối đa.

9


Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến. Các cảm biến
Hall có thể đặt lệch pha nhau các góc 600 hoặc 1200 tùy thuộc vào số đôi cực. Dựa vào
điều này, các nhà sản xuất động cơ định nghĩa các chu trình chuyển mạch mà cần phải
thực hiện trong quá trình điều khiển động cơ.
Các cảm biến Hall cần được cấp nguồn. Điện áp cấp cho cảm biến là 5V yêu cầu
dòng từ 5mA đến 15mA. Khi thiết kế bộ điều khiển, cần chú ý đến đặc điểm kỹ thật
tương ứng của từng loại động cơ để biết được chính xác điện áp và dòng của cảm biến
Hall được dùng. Đầu ra của cảm biến Hall thường là loại open-collector, vì thế, cần có
điện trở treo ở phía board điều khiển. Nếu khơng có điện trở treo thì tín hiệu chúng ta
nhận được khơng phải tín hiệu xung vng mà là tín hiệu nhiễu.
2.2.4. Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator):
Ở động cơ BLDC vì dây quân phần ứng được bố trí trên Stator đứng yên nên bộ

phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transistor cơng
suất chuyển mạch theo vị trí Rotor. Do trong cấu trúc của động cơ BLDC cần có cảm
biến vị trí Rotor. Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng
điện trong dây quấn phần ứng khi Rotor quay giống như vành góp và chổi than của động
cơ một chiều thông thường.
2.3. Nguyên lý hoạt động:
Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết chính xác vị trí của Rotor để điều khiển
q trình đóng ngắt các khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây Stator theo trình tự
hợp lý. Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây (như pha A) được cấp
điện dương (dòng đi vào trong cuộn day pha A), cuộn dây thứ 2 (pha B) được cấp điện
âm (dòng từ cuộn dây đi ra pha B) và cuộn thứ 3 (pha C) không cấp điện. Mô men được
sinh ra do tương tác giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây của Stator với nam châm
vĩnh cửu. Một cách lií tương, mơ men lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau 900 và
giảm xuống khi chúng di chuyển. Để giữ động cơ quay, từ trường tạo ra bởi những cuộn
dây Stator phải quay đồng bộ với từ trường của Rotor một góc α.
2.4. Mợt số đặc điểm về điện của đợng cơ BLDC:
2.4.1. Mô men điện tử:
Mô men điện từ của động cơ BLDC được xác định giống như của động cơ DC có
chổi than:
𝑇𝑑 = 𝐶𝑇𝑑𝑐 . ∅𝑓 . 𝐼𝑎 = 𝐾𝑇𝑑𝑐 . 𝐼𝑎

10