Nghiên cứu triển khai điều khiển động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motos) và ứng dụng trong lĩnh vực cơ điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



NGUYỄN ĐỨC DŨNG



NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
(BRUSHLESS DC MOTORS)
VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ




LUẬN VĂN THẠC SĨ







Hà Nội – 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


NGUYỄN ĐỨC DŨNG



NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
(BRUSHLESS DC MOTORS)
VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ



Ngành: Cơ học kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
Mã số: 60 52 02


LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội – 2011
1


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG 1 - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 5
1.1. Giới thiệu động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 5
1.2. Cấu tạo của BLDC 5
1.2.1 Stator 6
1.2.2 Rotor 7
1.2.3. Hall Sensor 9
1.3. Nguyên lý hoạt động của BLDC 10
1.4. Ứng dụng 13
1.4.1. Trong giao thông 13
1.4.2 Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC 14
1.4.3 Quạt gió và quạt tản nhiệt 14
1.4.4 Thiết kế hiện đại 14
CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 16
2.1. Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC) 16
2.2. Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC) 20
2.2.1. Điều khiển vòng lặp hở (opened-loop) 26
2.2.2. Điều khiển vòng lặp kín (closed-loop) 26
2.2.3. Thuật toán PID 27
CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
BLDC 29
3.1. Đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ khối xây dựng phần cứng 29
3.2. Các loại IC được sử dụng và đặc điểm của chúng 30
3.2.1. Microchip dsPIC30F2010 30

3.2.2. Driver IR2101S 31
2



3.2.3. MOSFET IRFR2407 32
3.2.4. Điện trở shunt và các IC khuếch đại, so sánh 34
3.2.5. MAX232 giao tiếp máy tính 44
3.3. Sơ đồ nguyên lý 45
CHƯƠNG 4 - XÂY DỰNG CẤU TRÚC PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG
CƠ BLDC 49
4.1. Phần mềm MPLAB 49
4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ BLDC. 52
KẾT LUẬN 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
PHỤ LỤC 59


3




MỞ ĐẦU

Động cơ DC là động cơ điện một chiều hoạt động dòng điện một chiều.
Stator động cơ DC thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam
châm điện. Rotor động cơ DC có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện
một chiều. Phần quan trọng của động cơ một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có
nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động của rotor quay liên tục.

Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc
với cổ góp. Và thời gian hoạt động càng lâu thì bộ phận này sẽ bị mòn và phát
sinh tia lửa điện. Nên hạn chế của động cơ DC là phải được bảo trì thường
xuyên trong môi trường làm việc nhiều bụi, và tránh sử dụng ở những môi
trường nguy hiểm dễ xảy ra cháy nổ. Trong những trường hợp đó, động cơ DC
đã được thay thế bằng động cơ BLDC (động cơ DC không chổi than). Động cơ
BLDC có ưu điểm của động cơ DC là đặc tính cơ tốt, đáp ứng nhanh. Bên cạnh
đó động cơ BLDC có những ưu điểm nổi bậc là:
- Tuổi thọ cao (do chỉnh lưu bằng các linh kiện điện tử thay cho chổi
than).
- Vận hành êm ái (nhờ cấu tạo của động cơ).
- Làm việc được trong môi trường nguy hiểm (do không phát sinh tia
lửa điện).
Điều khiển động cơ BLDC không đơn giản như loại động cơ DC. Người
ta phải tùy thuộc vào vị trí của rotor để đưa ra lệnh điều khiển cấp điện hợp lý
cho các cuộn dây động cơ. Có rất nhiều driver điều khiển động cơ BLDC được
các nhà sản xuất cung cấp, ví dụ như: bộ driver TMCM-171 của hãng
TRINAMIC sản xuất dùng cho động cơ BLDC điện áp cấp từ 12 đến 24 V DC,
dòng chịu được có thể lên tới 20A. Các động cơ đó có công suất từ vài đến
1KW. BL300-TO của hãng TECO cũng dùng cho động cơ BLDC 12/24 V DC
nhưng công suất dưới 300W . Tuy nhiên giá thành của các bộ driver trên còn
cao. Việc xây dựng và chế tạo một driver cho động cơ BLDC là việc làm cần
thiết. Cùng với đó góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo các loại động cơ sử
dụng năng lượng điện dần thay thế các loại động cơ sử dụng xăng.
4



Trong luận văn này, bộ điều khiển sử dụng dsPIC 30F2010 của hãng
Microchip sản xuất, dsPIC 30F2010 là dòng PIC chuyên dùng để điều khiển

động cơ, đặc biệt là động cơ BLDC.

5




CHƯƠNG 1 - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

1.1. Giới thiệu động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Động cơ một chiều thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của
chúng thích hợp với mục đích điều khiển. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong
cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu
bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế
tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổ góp
và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến
tần sử dụng transistor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor). Những động cơ
này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu
hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DC Motor).
Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các
nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường.

Hình 1. Thành phần cơ bản của động cơ BLDC

1.2. Cấu tạo của BLDC
Về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3 phần chính
đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vị trí để xác
định vị trí rotor; bộ mã hóa so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor của động cơ.
6

1.2.1 Stator
Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều
không chổi than là dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba
pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha. Dây quấn ba pha có hai sơ
đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác ∆.


Hình 2. Stator của động cơ một chiều không chổi than

Stator của 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. Theo
truyền thống cấu tạo stator của BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ
cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác. Hầu hết tất
cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình
sao hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các
bối dây nối liên với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng
được nối liên nhau để tạo nên một cuộn dây. Mỗi một trong các cuộn dây được
phân bố trên chu vi của stator theo trình tự thích hợp để tạo nên một số chẵn các
cực. Cách bố trí và số rãnh của stator của động cơ khác nhau thì cho chúng ta số
cực của động cơ khác nhau.
Sự khác nhau trong các nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên
sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động. BLDC có 2 dạng sức phản điện
động là dạng hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau này mà
tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là BLDC hình sin và BLDC hình thang.
7

Dòng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạng hình sin và hình thang.
Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn vì
phải có thêm các bối dây mắc liên tục. Còn động cơ hình thang thì rẻ hơn nhưng
đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức điện động là lớn
hơn.

Hình 3. Các dạng sức điện động của BLDC

Động cơ một chiều không chổi than thường có các cấu hình 1 pha, 2 pha và 3
pha. Tương ứng với các loại đó thì stator có số cuộn dây là 1, 2 và 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, các
chuyển động nhỏ… Các động cơ trên 100V được dùng trong các thiết bị công
nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp.

1.2.2 Rotor
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.
8




Hình 4. Rotor của BLDC

Rotor được cấu tạo từ các nâm 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.
Dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rotor, chất liệu nam châm thích
hợp được chọn tương ứng. 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 rẻ hơn nhưng mật độ thông 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 momen tương tự. Do đó, với cùng thể
tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm
Ferrite.


Hình 5. Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

9



1.2.3. Hall Sensor
Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của
động cơ một chiều không chổi than 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.
Tức là tại một thời điểm thì không 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 biết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây stator
tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor được đo
bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong stator.
Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có 3 cảm biến
Hall đặt ẩn bên trong stator, ở phần đuôi trục (trục phụ) 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 ra tín hiệu cao hoặc thấp 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 dòng điện chạy trong một vật
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 được gọi là hiệu
ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879.
Dựa trên vị trí vật lý của cảm biến Hall, có 2 cách đặt cảm biến. Các cảm
biến Hall có thể được đặt dịch pha nhau các góc 60
0
hoặc 120
0
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 có thể từ 4V đến
24V. Yêu cầu dòng từ 5mA đến 15mA. Khi thiết kế bộ điều khiển, cần để ý đến
đặc điểm kỹ thuật tương ứng của từng loại động cơ để biết được chính xác điện
áp và dòng của các cảm biến Hall được dùng. Đầu ra của các cảm biến Hall
thường là loại open-collector. Vì thế, cần có điện trở treo ở phía bộ điều khiển
nếu không có điện trở treo thì tín hiệu mà chúng ta có được không phải là tín
hiệu xung vuông mà là tín hiệu nhiễu.
10



1.3. Nguyên lý hoạt động của BLDC
Động cơ BLDC thông thường được điều khiển bởi bộ chuyển điện áp cấp
cho 3 pha của motor, phụ thuộc vào một cảm biến vị trí của motor từ lúc bắt đầu
và cho việc cung cấp sự chuyển mạch chính xác để điều khiển bộ chuyển điện

áp. Các cảm biến vị trí này có thể là Hall sensor, resolver hoặc cảm biến vị trí
tuyệt đối. Một hệ thống điều khiển động cơ BLDC đặc trưng với cảm biến vị trí
được biểu diễn ở hình:

Hình 6. Hệ thống điều khiển động cơ BLDC

Với 6 bước chuyển mạch. Khoảng dẫn cho mỗi pha là 120
0
bằng góc điện
tương ứng. Chuỗi chuyển mạch pha như sau AB-AC-BC-BA-CA-CB (hình)

Hình 7. Khoảng dẫn của pha A
11





Hình 8. Khoảng dẫn của pha B



Hình 9. Khoảng dẫn của pha C
12




Hình 10. Giản đồ liên quan giữa tín hiệu Hall sensor với điện
áp cấp của động cơ BLDC

Mỗi đoạn dẫn gọi là 1 bước. Bởi thế, chỉ có 2 pha cùng lúc dẫn, pha thứ 3
(pha còn lại) được để trống. Để tạo ra moment xoắn cực đại bộ chuyển đổi điện
cấp cho 3 pha motor nên được chuyển mỗi 60
0
để cho dòng pha đồng bộ với sức
phản điện. Thời gian chuyển mạch được xác định bởi vị trí của rotor được dò
bởi Hall sensor hoặc được ước lượng từ những thông số của động cơ, nghĩa là từ
sức phản điện của cuộn dây để trống trong động cơ khi hoạt động (nếu đó là chế
độ sensorless).
13



Những cảm biến đó sẽ làm tăng chi phí và kích thước của động cơ, và một
sự sắp xếp về cơ khí đặc biệt cần được tạo ra cho cái giá đặt sensor. Những cảm
biến này, đặc biệt là Hall sensor, dễ hư hỏng do nhiệt độ, giới hạn tầm hoạt động
của motor dưới 75
0
C. Mặt khác, chúng còn làm giảm sự tin cậy của hệ thống bởi
các linh kiện và hệ thống dây dẫn. Trong một số ứng dụng, nó khó có thể được
trang bị cảm biến vị trí trên động cơ được. Chính vì thế, điều khiển động cơ
không chổi quét (BLDC) mà không dùng cảm biến (chế độ sensorless) được
nhiều sự chú ý trong những năm gần đây.

1.4. Ứng dụng
Động cơ BLDC có đầy đủ các chức năng của một động cơ DC có chổi
than, nhưng do giá cả và việc điều khiển động cơ loại này phức tạp nên động cơ
loại này không thể thay thế loại động cơ không chổi than trong các ứng dụng giá
cả rẻ. Tuy nhiên, các động cơ có ưu thế trong nhiều ứng dụng, nhất là các thiết

bị như các ổ cứng máy tính, máy chơi nhạc CD/DVD. Các quạt tản nhiệt nhỏ
trong thiết bị điện tử là động cơ BLDC. Loại động cơ này có thể được tìm thấy
trong các dụng cụ máy không dây mà hiệu suất động cơ tăng lên dẫn tới thời
gian sử dụng trước khi thay pin để sạc dài hơn. Các động cơ BLDC tốc độ thấp,
công suất thấp được sử dụng trong mâm xoay của các đĩa audio “analog”.

1.4.1. Trong giao thông
Động cơ BLDC công suất cao được dùng trong các phương tiện (xe đạp,
xe máy) điện và các phương tiện lai (tổ hợp). Các động cơ này là các động cơ
không đồng bộ AC dùng rotor là nam châm điện vĩnh cửu.
Các hãng xe tự cân bằng Seway và xe tay ga Vectrix cũng sử dụng công
nghệ BLDC.


14



1.4.2 Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC
Nhiều xe điện sử dụng động cơ BLDC được lắp vào máy ở xe cùng với
stator được gắn cứng vào trục và nam châm được gắn và quay cùng với bánh.
Máy xe đạp chính là động cơ. Loại xe điện này cũng có cơ cấu chuyển động với
pedal, bánh xích và xích …

1.4.3 Quạt gió và quạt tản nhiệt
Có một xu hướng trong nền công nghiệp đông lạnh và tản nhiệt là sử dụng
động cơ BLDC thay thế cho các loại động cơ AC. Lý do quan trong nhất để
chuyển sang dùng động cơ BLDC là động cơ này giảm công suất để vận hành
nó. Trong khi động cơ có cực che và động cơ khởi động bằng tụ điện là sự lựa
chọn thích hợp khi lựa chọn quạt động cơ, thì nhiều quạt hiện nay sử dụng một

động cơ BLDC. Một vài quạt sử dụng động cơ BLDC để tăng hiệu suất tổng của
hệ thống.
Thêm vào đó, hiệu suất của động cơ BLDC cao hơn, các hệ thống tản
nhiệt (đặc biệt các module tải hoặc tốc độ thay đổi) sử dụng động cơ BLDC bởi
vì các vi xử lý mà được gắn vào cho phép lập trình được, điều khiển tốt hơn
thông qua dòng khí và giao tiếp nối tiếp.

1.4.4 Thiết kế hiện đại
Động cơ BLDC là sự lựa chọn thường thấy cho các mô hình máy bay có
cả trực thăng. Công suất công suất và khối lượng cùng với dải rộng các kích cỡ,
từ 5 gam tới động cơ lớn với hàng nghìn wat là cuộc cách mạng trong kinh
doanh mô hình bay sử dụng điện.





Hình 11. Mô hình máy bay, phản lực và xe mô hình
15



Những giới thiệu ở trên đã làm thay đổi và cần phải định nghĩa lại thế nào
là mô hình máy bay và mô hình trực thăng, động cơ BLDC đã thay thế tất cả các
động cơ điện có chổi than. Động cơ loại này hình thành các mô hình máy bay
điện loại nhẹ hơn hẳn các mô hình trước đây, nặng hơn và lớn hơn. Tỷ số công
suất trên khối lượng lớn của động cơ và pin cho phép mô hình tăng tốc độ và lên
được cao hơn. Ngoài ra nhiễu ít và khối lượng nhỏ hơn so với loại ga phát sáng
cũng là một lý do để động cơ BLDC trở nên phổ biến.
Những hạn chế của việc sử dụng nhiên liệu cháy trong mô hình động cơ

đã được hỗ trợ và chuyển sang hệ thống điện công suất cao.
Xe mô hình điều khiển bằng radio, xe tải sử dụng động cơ loại có sensor
với 6 dây kết nối với cảm biến Hall cho phép phát hiện vị trí của nam châm
rotor… Và nhiều ứng dụng khác nữa của động cơ BLDC ví như trong các thiết
bị y tế, máy rút tiền ATM…
16





CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

2.1. Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC)
Brushless DC là một trong những loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu, có nam châm vĩnh cửu nằm trên rotor và sức phản điện (EMF) dạng hình
thang. Brushless DC dùng một nguồn xung cung cấp đến các pha trên stator
của động cơ, chuỗi đóng ngắt được xác định từ vị trí của rotor. Pha dòng điện
của Brushless DC, có dạng hình chữ nhật, đồng bộ với sức phản điện (EMF) tạo
ra moment xoắn không đổi tại một tốc độ không đổi. Nhờ sức phản điện (EMF)
này mà bộ điều khiển theo chế độ sensorless hoạt động chính xác.
Về cơ bản, có hai kiểu điều khiển dạng sensorless. Kiểu đầu tiên là định vị
trí bằng cách sử dụng sức phản điện từ cuộn dây (để hở) của động cơ khi đang
hoạt động, và kiểu thứ hai là ước lượng vị trí bằng cách sử dụng các thông số
motor như đầu ra dòng áp. Kiểu thứ hai mạch điều khiển cần phải có DSPs (chip
xử lý tín hiệu) để thực hiện tính toán, điều này đồng nghĩa với giá thành hệ
thống cao. Như thế mạch điện điều khiển sensorless kiểu định vị trí trục động cơ
bằng sức phản điện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Giản đồ sau cho
thấy rõ sự chuyển đổi điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC:
17

Hình 12. Giản đồ cho thấy sự liên quan các pha điện
áp và những điều “0”

Qua giản đồ trên thấy rõ động cơ BLDC khi hoạt động, chỉ có hai trong
ba pha được cấp điện cùng 1 khoảng thời gian, và pha còn lại được để trống. Giá
trị điện áp của sức phản điện từ cuộn dây để trống được dùng xác định điểm
“zero” như trong giản đồ đã biểu diễn. Từ đó thiết lập sự chuyển mạch của các
linh kiện trong bộ chuyển đổi điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC.
Như vậy sự chuyển mạch của các linh kiện sẽ được quyết định bởi điểm
“zero” ở chế độ sensorless thay cho sự quyết định của các tín hiệu Hall sensor.
Động cơ BLDC hoạt động dựa trên tín hiệu “zero” phát hiện được.
Như đã trình bày ở phần trên, thời gian chuyển mạch được xác định bởi vị
trí của rotor. Từ hình dạng của sức phản điện chỉ ra vị trí của rotor, nó có thể xác
định thời gian chuyển mạch nếu biết được sức phản điện. Nếu chỗ giao với
điểm “0” của sức phản điện được dò ra, chúng ta sẽ biết được lúc nào tiến hành
chuyển mạch dòng điện.
18



Trong cùng khoảng thời gian, chỉ có 2 pha dẫn điện, pha còn lại để hở
(trống). Pha để trống này dùng để dò sức phản điện trong cuộn dây động. Khái
niệm trên được thể hiện qua mạch sau:

Hình 13. Mạch dò điển “0” của sức phản điện với sự tham gia

của điểm trung tính 3 pha của động cơ BLDC

Đầu ra điện áp của cuộn dây động cơ có thể đo được. Trong mạch trên
cần điểm trung tính về điện áp của motor để có được điểm qua zero của sức
phản điện EMF, từ đó sức phản điện được tham chiếu với điểm trung tính của
motor qua. Đầu ra điện áp được so sánh với điểm trung tính bằng các opamp,
sau đó có thể nhận được điểm qua zero của sức phản điện.
Đa số các trường hợp, điểm trung tính của motor thường thì không có.
Trong áp dụng thực tế, phương pháp thông dụng là xây dựng điểm “0” ảo, nơi
có giá trị điện áp tương đương điểm trung tính. Điểm “0” ảo được tạo ra bởi các
điện trở. Mạch cũng tương đối đơn giản. Mạch điểm “0” ảo tạo ra từ ba điện trở
nối chung một đầu lại với nhau và các đầu còn lại nối với các pha của động cơ
BLDC.
19




Hình 14. Mạch dò điểm zero với điểm trung tâm ảo

Bởi vì bộ điều rộng xung lái, điểm trung tính là điểm không cố định. Điện
áp của điểm đó nhảy lên và xuống. Nó tạo ra kiểu điện áp thường rất cao và
nhiễu tần số cao nữa. Vì thế chúng ta cần những bộ chia điện áp và những bộ lọc
thông thấp để làm giảm kiểu điện áp cao đó và làm phẳng nhiễu tần số cao.
20




Hình 15. Mạch dò sức điện qua điểm 0 phát triển dựa trên điểm “0” ảo

Như ở chương 1 đã giới thiệu, có thể mô hình hóa động cơ BLDC tương
tự như động cơ DC bình thường. Nên có thể áp dụng luật điều khiển PID khi
điều khiển tốc độ động cơ BLDC.

2.2. Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC)
Để quay động cơ thì phải có từ trường qua. Động cơ BLDC 3 pha có 3
pha stato được kích hoạt ở cùng một thời điểm để tạo ra từ trường quay. Phương
pháp này đơn giản để thực hiện nhưng để tránh từ trường nam châm vĩnh cửu
khóa thì kích thích trên stator phải theo thứ tự trong một cách thức đặc biệt khi
biết chính xác vị trí của từ trường rotor. Thông tin của vị trí có thể có được hoặc
bằng encoder xác định vị trí của trục hoặc bằng cảm biến Hall xác định vị trí của
nam châm roto. Với động cơ loại 3 pha đặc biệt, động cơ BLDC có cảm biến, có
6 vùng khác nhau hoặc phần khác nhau trong đó có hai cuộn dây được kích. Có
thể xem ở hình 16.
21




Hình 16. Sơ đồ chuyển mạch BLDC

Bằng cách đọc giá trị của cảm biến Hall, mã 3-bit có thể dùng để lưu trữ
giá trị từ 1 đến 6. Mỗi giá trị của mã miêu tả một vị trí của rotor. Ứng với mỗi
giá trị đó sẽ cho chúng ta thông tin xem cuộn nào cần được kích. Do đó một
bảng tra đơn giản có thể dùng bằng cách lập trình để xác định hai cuộn nào của
động cơ được kích và do đó quay động cơ.
Chú ý rằng giá trị 0 và 7 là giá trị không hợp lệ của cảm biến Hall. Phần
mềm sẽ kiểm tra các giá trị này và phát xung PWM tương ứng hoặc disable nó
đi.

• CN Inputs
Dựa vào phân tích trên cảm biến hall có thể được nối với đầu vào
dsPIC30F2010. Khi đầu vào thay đổi trạng thái thì tạo ra một ngắt. Ngắt này
nằm trong thủ thục ngắt CN, chương trình ứng dụng người dùng đọc giá trị cảm
biến Hall và sử dụng nó để tạo ra bảng tra để điều khiển các cuộn dây động cơ
BLDC.
• Module điều chế độ rộng xung (MCPWM)
Sử dụng phương pháp trên có thể làm động cơ BLDC quay với tốc độ
full. Tuy nhiên để biến đổi tốc độ BLDC, cần cấp điện áp biến đổi cho cuộn dây
22



động cơ. Việc này có thể thực hiện được bằng cách điều chế độ rộng xung
PWM.
Ở dòng vi điều khiển dsPIC30F có tới 6 đầu ra PWM có thể điều khiển tín
hiệu PWM. Như trong hình 17, ba cuộn dây được kéo lên ON phía cao, điều
khiển ON phía thấp hoặc không điều khiển tất cả sử dụng 6 chuyển mạch, IGBT
hoặc MOSFET. Khi môt chân của cuộn dây được nối như trong ví dụ, vào phía
cao, tín hiệu PWM có thể đặt vào phía thấp driver. Điều này tương đương với
các tín hiệu PWM ở phía cao và nối phía thấp với Vss hoặc GND. Khi điều
khiển tín hiệu PWM, driver ở phía thấp được ưu dùng hơn ở phía cao.

Hình 17. Ví dụ phần cứng phương pháp điều khiển BEMF

PWM của dòng dsPIC30F còn được gọi là MCPWM. Module này được
thế kế đặc biệt cho điều khiển các ứng dụng động cơ đặc biệt.
MCPWM có thanh ghi cơ sở 16 bit PTMR (timer), timer này tăng do
người dùng định nghĩa clock tick. Người dùng cũng quy định tới tần số của
PWM bằng cách cài đặt một giá trị và load nó với các thanh ghi PTPER. PTMR

được so sánh với giá trị PTPER ở mỗi chu kỳ Tcy. Khi 2 thanh ghi có giá trị
bằng nhau thì một chu kỳ mới được bắt đầu
Duty cycle được điều khiển tương tự bằng cách load một giá trị vào 3
thanh ghi điều khiển duty cycle. Không giống như so sánh tần số, giá trị trong
23



thanh ghi duty cycle được so sánh sao cho một Tcy/2 (nhanh gấp đôi so sánh tần
số).
Nếu giá trị PTMR và PDCX bằng nhau thì duty cycle tương ứng được kéo
lên cao hoặc thấp tùy theo chế độ PWM được chọn.

Hình 18. Sơ đồ khối hoạt động PWM