Nghiên cứu mạch công suất điều khiển động cơ ba pha không chổi than

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự
động công nghiệp khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS
Phạm Tâm Thành đã chỉ bảo, động viên em trong suốt quá trình làm đồ án, giúp
có được vốn tri thức hiểu rõ hơn về những gì mình được học trước đây áp dụng
để hoàn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiện
Đỗ Ngọc Dũng

i


MỤC LỤC
Trang
Hình 2.3. Card điều khiển DIP........................................................................10
2.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN.......................................................................10
2.2.2. Cấu trúc mạch động lực..........................................................................12
3.1.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơ BLDC................................14
3.1.2. Tổng quan về IGBT.................................................................................14
3.1.3. Cấu trúc mạch lực...................................................................................17

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
1
2
3

Tên bảng

Bảng 3.1

Nội dung
Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim

Bảng 3.2

đồng hồ
Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim

Bảng 3.3

đồng hồ
Quá trình đảo mạch đóng mở van

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
iii


STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

Tên hình
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
HÌnh 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3

Hình 3.4
Hình 3.5

Động cơ BLDC
Cấu tạo của động cơ BLDC
Sơ đồ khối động cơ BLDC
Stator của động cơ một chiều không chổi than
Rotor động cơ BLDC
Bộ phận đổi chiều điện tử của động cơ BLDC
Chuyển mạch của động cơ BLDC
DRV8312-C2-KIT
Hình ảnh của DRV8312-C2-KIT
Động cơ BLDC
Sơ đồ khối cho một động cơ hệ thống lái tiêu biểu
Cấu trúc điều khiển đông cơ BLDC
Dạng sống điện hoạt động trong hai giai đoạn ON
Dạng sóng điện hình sin động cơ BLDC
Cấu trúc động lực điều khiển động cơ BLDC
Cấu tạo của van IGBT
Sơ đồ thử nghiệm khóa IGBT
Đồ thị dẫn dòng van IG
Mạch lực động cơ BLDC
Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện

Hình 3.6

pha trong chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ
Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động, dòng điện pha

22

23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37

Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20

Hình 3.21
Hình 3.22

trong chế độ quay thuận chiều kim đồng hồ
Cấu trúc thực nghiệm
Cấu trúc phần mềm
Khối RC3-MACRO
Tín hiệu vào ra khối RC3-MACRO
Khối IMPUSE
Tín hiệu ra khối IMPUSE
Khối MOD6CNT MACRO
Tín hiệu vào ra khối MOD6_CNT
Khối BLDCPWM DRV
Quá trình chuyển mạch
Khối RC2_MACRO
Tín hiệu ra khối RC2_MACRO
Khối HALL3 DRV
Khối DATALOG
Chương trình đo PWM
Kết quả trên oscilloscope (PWM1A – Red; PWM1B –

38

Purple, PWM3A – Green; PWM 3B - Blue)
Hình 3.23 Kiểm tra vòng lặp động cơ và các cảm biến đo lường

21

Nội dung

iv


39
40

Hình 3.24 Tín hiệu cảm biến Hall trên oscilloscope
Hình 3.25 Tín hiệu mod6-counter , điện áp pha A, pha B trên

41

oscilloscope
Hình 3.26 Chương trình mô phỏng hệ thống chưa có vòng lặp và bộ

42
43

điều khiển
Hình 3.27 Tín hiệu ra khối Mod6 – counter, và tín hiệu cảm ứng Hall
Hình 3.28 Chương trình mô phỏng khi có mạch vòng dòng và bộ điều

44
45
46

khiển PI
Hình 3.29 Tín hiệu đầu ra Mod6 – counter, cảm biến Hall, tốc độ
Hình 3.30 Chương trình điiều khiển
Hình 3.31 Tín hiệu đầu ra mod6 – counter, điện áp pha A, B,C

trên CCS

v


LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công ngiệp, ngành công
ngiệp tự động hóa cũng ngày càng phát triển để đáp ứng kịp thời nhu cầu sản
xuất. Trong đó các hệ thống sử dụng động cơ điện chiếm hầu hết đa số và các hệ
thống sử dụng động cơ truyền thống thường được thiết kế với các phần tử tương
đối rẻ tiền. Do đó việc ngày càng cải tiến công nghệ đang là một vấn đề cấp thiết
hiện nay, việc cải tiến giúp cho hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả hơn.
Động cơ ba pha không chổi than là loại động cơ có rất nhiều ưu điểm nên gần
đây đã được chú ý nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi, nhất là trong các hệ
thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt:
môi trường chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ. Do không
có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp, chổi than nên động cơ này khắc
phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. Vì vậy
việc sử dụng động cơ ba pha không chổi than là rất cần thiết, với đề tài tốt
nghiệp là “Nghiên cứu mạch công suất điều khiển động cơ ba pha không chổi
than” sau khoảng thời gian 3 tháng em đã hoàn thành đồ án này. Nội dung của
đồ án gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ ba pha không chổi than và hệ truyền động
dùng động cơ ba pha không chổi than
Chương 2: DRV8312-C2-KIT và cấu trúc điều khiển động cơ BLDC
Chương 3: Nghiên cứu mạch công suất cấp nguồn động cơ BLDC
2. Mục đích nghiên cứu
Giúp sinh viên tự tìm tòi học hỏi, nắm rõ được quy trình hoạt động của một
hệ động cơ ba pha không chổi than và vấn đề công suất có liên quan, từ đó sẽ

làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dào cho sinh viên khi hoạt động trong các
công tác chuyên ngành của mình.

vi


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu cấu trúc mạch công suất điều khiển
động cơ ba pha không chổi than
b. Phạm vi nghiên cứu: Động cơ ba pha không chổi than và DRV8312-C2KIT điều khiển động cơ ba pha không chổi than
4. Phương pháp nghiên cứu khoa học
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều đăc biệt là động cơ ba
pha không chổi than
- Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động cơ ba pha không chổi than
- Đi sâu nghiên cứu mạch công suất sử dụng trong hệ truyền động.
- Thực nghiệm động cơ (BLDC).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Động cơ ba pha không chổi than khắc phục được hầu hết các nhược điểm
động cơ một chiều thông thường, được đưa vào ứng dụng rộng dãi trong các hệ
truyền động công suất nhỏ như ổ quang đặc biệt là trên các phương tiện di động
sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin, hay năng lượng mặt trời.

vii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI
THAN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG CƠ BA PHA
KHÔNG CHỔI THAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI THAN
1.1.1. Giới thiệu về động BLDC

Hình 1.1. Động cơ BLDC
Động cơ điện ba pha không chổi than thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu.
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 cơmaf trong
nhóm này ta có thể chia thành hai loại:
- Động cơ sóng hình sin
- Động cơ sóng hình thang
Động cơ điện ba pha không chổi than là động cơ sóng hình thang.
1


1.1.2. Cấu tạo của động cơ BLDC

Hình 1.2. Cấu tạo của động cơ BLDC
Cấu tạo của động cơ BLDC giống với động cơ xoay chiều đồng bộ kích
thích bằng nam châm vĩnh cửu.

Hình 1.3. Sơ đồ khối động cơ BLDC
Dây quấn stator bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu nó kết hợp một
vài phương tiện để xác định vị trí của cực từ nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển
bộ chuyển mạch điện tử như biểu diễn trên hình 1.3. Từ hình 1.3 ta thấy rằng
động cơ ba pha không chổi than chính là sự kết hợp của động cơ xoay chiều
đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử chuyển mạch theo vị trí
rotor. Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầu hết
các cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall.
Như vậy về mặt cấu tạo động cơ ba pha không chổi than gồm có 3 phần chính
đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều.

2


a. Phần tĩnh (Stator)
Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ BLDC
chứa 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 (hình 1.4). Dây quấn ba pha có hai
sơ đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác

Hình 1.4. Stator của động cơ một chiều không chổi than
Stator 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. Theo
truyền thống stator của động cơ 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 ba pha 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 liền với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng được nối
liền 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.
3


b. Phần quay (Rotor):

Hình 1.5. Rotor động cơ BLDC
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.
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.
c. Bộ phận đổi chiều điện tử

Hình 1.6. Bộ phận đổi chiều điện tử của động cơ BLDC
4


Ở động cơ BLDC vì dây quấn 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
IGBT chuyển mạch theo vị trí rotor. Do cấu trúc của động cơ BLDC cần 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.
Van IGBT được điều khiển bằng điện áp nên công suất yêu cầu cực nhỏ.
Van IGBT dưới tác dụng của điện áp UGE 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là
điện tử được hình thành, các điện tử di chuyển về phía colector vượt qua lớp tiếp
giáp n-p nên tạo ra quá trình dẫn dòng.
1.2. TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI THAN
Trong động cơ BLDC dây quấn phần ứng được quấn trên stator là phần
đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí (trong động cơ
điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyển mạch điện tử dùng
các bóng transistor công suất được điều khiển theo vị trí tương ứng của rotor.

Hình 1.7. Chuyển mạch của động cơ BLDC
Về bản chất, chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 van
chuyển mạch được bố trí trên hình 1.7. Trong đó 6 chuyển mạch là các van công
suất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùng
5


van MOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thường
dùng van IGBT. Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫn
thì các diode được mắc song song với các van. Để điều khiển các van bán dẫn
của chuyển mạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí
rotor để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor
quay giống như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường.
1.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG CHỔI
THAN TRONG THỰC TẾ
Động cơ BLDC phù hợp với các yêu cầu cần độ chính xác cao và momen
cao, ngoại trừ các nhược điểm về giá cả và độ phức tạp trong điều khiển. Nó có
thể thỏa mãn các ứng dụng từ dải công suất thấp cỡ vài W đến công suất hàng
trăm KW. Do đó động cơ BLDC đang trở nên ngày càng phổ biến trong công
nghiệp. Động cơ một chiều thông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc
độ, nhược điểm lớn nhất trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch dòng điện cơ khí
cổ góp và chổi than. Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là
trong các truyền động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí
không thể đáp ứng được. Động cơ ba pha không chổi than đã khắc phục được
nhược điểm này, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới cho loại động cơ này.
Động cơ ba pha BLDC từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ
truyền động công suất nhỏ như trong các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy
tính cá nhân, thiết bị văn phòng, động cơ truyền động xe đạp điện. Mạch điều
khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển của

công nghệ chuyển mạch bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ biến đổi công suất
lớn, những ưu điểm của hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể
hiện rõ rệt hơn so với động cơ một chiều truyền thống cũng như động cơ không
đồng bộ, đặc biệt là trên các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều
độc lập từ acquy, pin, hay năng lượng mặt trời.

6


CHƯƠNG 2: DRV8312-C2-KIT VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BLDC
2.1. DRV8312-C2-KIT
2.1.1. Giới thiệu về DRV8312-C2-KIT
DRV8312-C2-KIT là kit điều khiển động cơ ba pha không chổi than DC
(BLDC) và không chổi than AC (Blac) thường được gọi là động cơ đồng bộ
kích thích nam châm vĩnh cửu.

Hình 2.1. DRV8312-C2-KIT
DRV8312 là module tích hợp mạch nghịch lưu nguồn áp hỗ trợ lên đến
50V và 6.5A với giao diện controlCARD -C2000 Piccolo F28035 control CARD
2.1.2. Làm quen với KIT
a. Nội dung KIT
Các DRV830x điều khiển số động cơ Kit có chứa:

• ControlCARD F28035
• Ban với khe cắm cho controlCARD DRV8312 DMC
7


• Động cơ BLDC
• Cáp USB

• 24V AC / DC cung cấp với 2.5A
• USB Stick với CCStudio IDE, giao diện, điều khiển

Hình 2.2. Hình ảnh DRV8312-C2-KIT
b. Tính năng của KIT
Các bộ phận có những đặc điểm sau đây:
• Nguồn áp ba pha cấp nguồn động cơ BLDC và động cơ đồng bộ kích
thích nam châm vĩnh cửu.
- Điện áp đầu vào tối đa 52.5V
- Dòng điện tối đa đầu ra liên tục mỗi pha 3.5A
- Tần số chuyển mạch điều khiển lên đến 500KHz
• Chuyển mạch cung cấp điện áp 24V
• CAN Isolated và giao tiếp SPI
• Kiểm soát kỹ thuật số vòng kín với phản hồi sử dụng PWM và ADC
thiết bị ngoại vi trên chip của C2000
• Mạch nạp on board
• Kết nối JTAG cho giả lập bên ngoài
• Quadrature bộ mã hóa sẵn giao diện cho tốc độ và vị trí đo
• Sensor Interface Hall điều khiển động cơ ba pha sensored
8


• Độ chính xác cao cảm biến sử dụng ADC hiệu suất cao trên chip C2000
• Ba PWM DAC được tạo ra bởi thông số lọc các tín hiệu PWM để quan
sát các biến hệ thống trên một oscilloscope và cho phép gỡ lỗi dễ dàng của thuật
toán điều khiển.
• Phần cứng phát triển bao gồm sơ đồ và thư mục có sẵn thông qua
controlSUITE.
Các phần mềm sử dụng mã nguồn mở, do đó có thể dễ dàng sửa đổi điều
chỉnh và chạy một động cơ khác nhau. Các động cơ sau đây có sẵn với các bộ:

2.2. PHẦN CỨNG TỔNG QUAN

Hình 2.4. Sơ đồ khối cho một động cơ hệ thống lái tiêu biểu
Hình 2.4 minh họa một hệ thống truyền động động cơ ba pha không chổi
than(BLDC). Bảng điều khiển động cơ với DRV8312-C2-KIT điều khiển động
cơ bước hoạc 2 động cơ một chiều.
Mạch chuyển đổi DC-AC có thể được điều khiển bằng một card điều khiển
Piccolo hoặc card điều khiển Concerto.

9


Hình 2.3. Card điều khiển DIP
2.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ (BLDC)

Hình 2.5. Cấu trúc điều khiển động cơ (BLDC)
Trong đó:
Speed refence:tốc độ đặt
Speed computation: tính toán tốc độ
Synchronization/ PWM control:đồng bộ hóa/điều khiển PWM
Zero crossing detection& delay :phát hiện không và trễ
PI controller: bộ điều khiển PI
PID controller: bộ điều khiển PID
Ba phase inverter: biến tần 3 pha

10

Động cơ BLDC đặc trưng với hai giai đoạn ON hoạt động kiểm soát biến
tần.Trong điều khiển này đề án sản xuất mô men xoán tuân theo nguyên tắc dòng
chảy chỉ có hai trong ba giai đoạn.Hình dưới đây mô tả các hình thức sóng điện
trong động cơ BLDC hai giai đoạn ON hoạt động.
Cấu trúc điều khiển này có một số ưu điểm:
+ Chỉ có 1 thời điểm cần được kiểm soát
+ Chỉ có duy nhất 1 cảm biến cần thiết
+ Các vị trí của cảm biến cho phép việc sử dụng bộ cảm biến chi phí thấp
Chúng ta thấy rằng nguyên tắc hoạt động của động cơ BLDC là nạp năng
lượng sản xuất mô men xoắn. Để tối ưu hóa hiệu ứng này hình dạng EMF là hình
thang. Sự kết hợp của DC với EMF làm cho nó về mặt lý thuyết có thể tạo ra
một mô men không đổi. Trong thực tế không thể thiết lập ngay lập tức trong một
pha động cơ, kết quả là các mô-men xoắn gợn hiện diện tại mỗi giai đoạn ân
giảm 60 độ.

Hình 2.6. Dạng sóng điện hoạt động trong hai giai đoạn ON
11


Nếu động cơ được sử dụng có dạng EMF hình sin:
+ Thứ nhất, không đổi nhưng tạo thành từ các phần tử của một sóng hình
sin (ba giai đoạn ON) sản xuất một hằng số mô men xoắn
+ Thứ hai, Giá trị mô men xoắn đước sản xuất là yếu

Hình 2.7. Dạng sóng điện hình sin động cơ BLDC
2.2.2. Cấu trúc mạch động lực

12

Hình 2.8. Cấu trúc động lực điều khiển động cơ BLDC

13


CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MẠCH CÔNG SUẤT
CẤP NGUỒN ĐỘNG CƠ BLDC
3.1. CẤU TRÚC MẠCH LỰC CHO ĐỘNG CƠ (BLDC)
3.1.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho động cơ BLDC
Đối với động cơ công suất lớn dùng trong công nghiệp như động cơ mà đề tài
đang đề cập đến thì nguồn một chiều cấp cho động cơ BLDC không thể dùng các
bộ nguồn điện một chiều có sẵn như acquy vì các bộ nguồn điện một chiều này
không đủ năng lượng để cấp điện cho động cơ. Vì vậy các động cơ có công suất
lớn sẽ phải có một bộ chỉnh lưu để tạo ra điện áp một chiều cho động cơ. Ngoài
ra đối với động cơ BLDC để cho động cơ quay thì chúng ta phải cấp điện cho
các cuộn dây stator của động cơ theo quy luật đã định sẵn. Để cấp điện thứ tự
cho các cuộn dây thì sau khi chỉnh lưu ra điện áp một chiều chúng ta cho qua bộ
nghịch luu nguồn áp để cấp điện cho động cơ.
3.1.2. Tổng quan về IGBT
Van IGBT được điều khiển bằng điện áp nên yêu cầu cực nhỏ với công suất
điều khiển. Van IGBT dưới tác dụng của điện áp U GE>0 kênh dẫn với các hạt
mang điện là điện tử được hình thành, các điện tử di chuyển về phía colector
vượt qua lớp tiếp giáp n-p nên tạo ra quá trình dẫn dòng

Hình 3.1. Cấu tạo của van IGBT
a. Quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT xảy ra khi điện áp điều khiển tăng từ không đến giá trị
UG. Trong thời gian trễ khi mở tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ C GE làm điện
áp giữa cực điều khiển và emitor tăng theo quy luật hàm mũ từ không đến giá trị
ngưỡng UGE, điện áp này vào khoảng từ 3-5V. Khi có đủ điện áp thì mosfet trong

van IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colector và emitor tăng theo quy
14


luật tuyến tính từ không đến dòng tải I 0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện
áp giữa cực điều khiển và emitor tăng đến giá trị U GE, I0 xác định giá trị dòng I0
qua colector. Do diotde D0 còn đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp UCE vẫn bị găm
lên mức điện áp nguồn một chiều UDC. Tiếp theo quá trình mở diễn ra hai giai
đoạn tfv1,tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này thì điện áp giữa hai cực điều khiển
và cực emitor được giữ nguyên ở mức UGE, I0 để duy trì dòng I0, do dòng điều
khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ C GE nên IGBT vẫn làm việc trong chế độ
tuyến tính. Vì vậy trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khoá và phục hồi của
diode D0 tạo nên xung dòng trên mức I 0 của IGBT. Khi đó điện áp U CE bắt đầu
giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hoà. Giai đoạn hai tiếp
diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colectơ dẫn đến điện trở
giữa colectơ và emitơ về giá trị RON thì khoá bão hoà.
Tổn hao năng lượng khi mở được tính gần đúng theo công thức:
Q=

U .I
.t
2

Nếu tính thêm ảnh hưởng của quá trình phục hồi của Diôt D0 thì tổn hao
năng lượng sẽ lớn hơn do xung dòng trên colector

Hình 3.2. Sơ đồ thử nghiệm khoá IGBT
15

Hình 3.3. Đồ thị dẫn dòng của van IG
b. Quá trình khoá IGBT
Quá trính khoá bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống -UG,
trong thời gian trễ khi khoá thì khi đó điện áp trên cực điều khiển và cực emitor
giảm xuống do sự phóng điện của tụ CGE nên điện áp GE giảm xuống UGE,Io
và được giữ không đổi do điện áp UCE bắt đầu tăng lên do đó thì tụ CGC bắt
đầu được nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ hoàn toàn nạp cho tụ CGE nên
điện ap UGE được giữ không đổi. Điện áp UCE tăng bão hoà trong khoảng thời
gian trv. Từ cuối khoảng trv thì diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng I0 ngắn mạch
chạy qua do đó dòng colector bắt đầu giảm. Quá trình này trải qua hai giai đoạn
ban đầu thì dòng chạy qua mosfet nhanh chóng giảm xuống không và khi điện áp
điều khiển là -UG thì van đượckhoá hoàn toàn. Các quá trình khoá của van
IGBT được mô tả trên hình 3.3
16


3.1.3. Cấu trúc mạch lực
* Mạch lực động cơ
Do ĐCMCKCT có cấu tạo stator là ba cuộn dây nên bộ nghịch lưu được
sử dụng là bộ nghịch lưu ba pha nguồn áp. Sơ đồ bộ nghịch lưu được trình bày ở
hình 3.4:

Hình 3.4: Mạch lực động cơ BLDC
* Chuyển mạch giữa các van
Cứ mỗi khi quay được 60 độ điện, một cảm biến Hall lại thay đổi trạng
thái. Như vậy, có thể thấy, nó cần 6 bước để hoàn thành một chu kỳ điện. Đồng
thời, cứ mỗi 60 độ điện, chuyển mạch dòng điện pha cần được cập nhật. Tuy
nhiên, cũng chú ý là một chu kỳ điện có thể không tương ứng với một vòng
quay của rotor về cơ khí. Số lượng chu kỳ điện cần lặp lại để hoàn thành một
vòng quay của động cơ được xác định bởi số cặp cực của rotor. Một chu kỳ điện

được xác đinh bởi một cặp cực rotor. Do đó số lượng chu kỳ điện trên một chu
kỳ cơ bằng số cặp cực rotor. Không giống như các loại động cơ thông thường
như đông cơ một chiều và động cơ đồng bộ thì ĐCMCKCT có đường sức phản
điện động là hình thang còn dòng điện chảy trong các pha là dạng hình chữ nhật.
Đặc tính sức phản điện động của ba cuộn dây lệch nhau 2π/3 do các cuộn dây
stator được đặt lệch nhau 2π/3 và góc chuyển mạch của sức phản điện động là
π/3 vì thế trong thời gian này thì không cấp dòng cho cuộn dây stator tương ứng.
Căn cứ vào dạng dòng điện của 3 pha của động cơ theo vị trí của cảm biến Hall
17


để xác định được sơ đồ mở van cho bộ nghịch lưu. Do một chu kỳ có 6 lần cảm
biến Hall thay đổi vị trí nên sẽ có 6 trạng thái mở van.

Hình 3.5.Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha trong
chế độ quay ngược chiều kim đồng hồ
18