Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều không chổi than BLDC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BLDC
Trưởng bộ môn

: TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Tùng Lâm

Sinh viên thực hiện

: Trần Việt Thắng

Lớp

: CN-ĐK & TĐH 01

MSSV

: 20146666

Hà nội, 6-2018

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển cho
động cơ một chiều không chổi than BLDC” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của
TS. Nguyễn Tùng Lâm. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Việt Thắng


MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................ i
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................iii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... iv
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chương 1 ........................................................................................................................ 3
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN (BLDC) ..... 3
1.1. Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC) ................................. 3
1.2. Cấu tạo động cơ BLDC ........................................................................................ 7
1.2.1. Stator động cơ BLDC ..................................................................................... 8
1.2.2. Rotor động cơ BLDC ..................................................................................... 9
1.2.3. Cảm biến xác định vị trí Rotor ..................................................................... 10
1.2.4. Bộ chuyển mạch điện tử ............................................................................... 12
1.2.5. Sức phản điện động ...................................................................................... 13
1.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ BLDC ........................................................... 13

1.4. Các hệ truyền động dùng cho động cơ BLDC .................................................... 14
1.4.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) .......................... 14
2.4.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) ................................. 15
1.5. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc động cơ BLDC ............................................... 16
Chương 2:..................................................................................................................... 19
MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BLDC
....................................................................................................................................... 19
2.1. Mô hình toán học ................................................................................................ 19
2.1.1. Phương trình sức điện động và mô men ....................................................... 21
2.1.2. Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than .............. 22
2.2. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC ............................................................ 23
2.2.1. Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm biến Hall – phương pháp 6 bước
................................................................................................................................ 24
2.2.2. Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến ....................................... 28
2.2.3. Điều khiển bằng phương pháp PWM ........................................................... 28
Chương 3 ...................................................................................................................... 32
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ BLDC ................................................ 32


3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 32
3.1.1. Giới thiệu động cơ không chổi than 90ZWN24-120P ................................. 33
3.1.2. Giới thiệu vi điều khiển ATmega328P-AU ................................................. 34
3.1.3. Mosfet IRF-3205 .......................................................................................... 35
3.1.4. IC Driver IR 2110......................................................................................... 36
3.2. Thiết kế mạch điều khiển động cơ BLDC .......................................................... 36
3.2.1. Module xử lý trung tâm ................................................................................ 36
3.2.2. Hệ thống phản hồi dòng điện ....................................................................... 38
3.2.3. Thiết kế mạch driver, mạch lực động cơ BLDC .......................................... 39
3.2.4. Thiết kế mạch nguồn .................................................................................... 41
3.2.5. Một số cấu trúc khác .................................................................................... 42

3.3. Thuật toán điều khiển động cơ BLDC ................................................................ 44
3.3.1. Phần mềm Arduino IDE ............................................................................... 44
3.3.2.Thuật toán điều khiển động cơ BLDC .......................................................... 45
Chương 4 ...................................................................................................................... 47
ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BLDC TRONG THỰC TIỄN................................ 47
4.1.Lĩnh vực hệ thống điều khiển chuyển động......................................................... 47
4.2. Ứng dụng trong đời sống hàng ngày .................................................................. 48
4.2.1. Ứng dụng trong giao thông vận tải............................................................... 48
4.2.2. Ứng dụng trong mô hình giải trí................................................................... 48
4.2.3.Ứng dụng làm các thiết bị dân dụng, thiết bị văn phòng. ............................. 49
4.2.3. Ứng dụng trong các hệ thống sưởi ấm và thông gió. ................................... 50
4.3. Ứng dụng động cơ BLDC trong công nghiệp .................................................... 50
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 52
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 53
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 61


Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Động cơ một chiều không chổi than BLDC.................................................... 3
Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC .................................................... 5
Hình 1.3. Sơ đồ khối động cơ BLDC .............................................................................. 7
Hình 1.4. Stator động cơ BLDC ...................................................................................... 8
Hình 1.5. Các dạng sức điện động động cơ BLDC ......................................................... 9
Hình 1.6. Các dạng rotor động cơ BLDC ..................................................................... 10
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khiển bằng trisistor quang ............... 12
Hình 1.8. Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây......................................................................... 14
Hình 1.9. Minh hoạ nguyên lý làm việc của động cơ BLDC truyền động một cực tính
....................................................................................................................................... 15

Hình 1. 10.Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator ............................ 15
Hình 1.11. Chuyển mạch 2 cực tính động cơ BLDC .................................................... 16
Hình 1.12. Đặc tính cơ của động cơ BLDC .................................................................. 17
Hình 1.13.Đặc tính làm việc động cơ BLDC ................................................................ 18
Hình 2.1. Mô hình mạch điện của động cơ BLDC……………………………………..20
Hình 2.2. Mô hình thu gọn động cơ BLDC .................................................................. 21
Hình 2.3. Sơ đồ một pha tương đương của động cơ BLDC ......................................... 22
Hình 2.4. Tín hiệu cảm biến Hall, sức phản điện động trong chế độ quay cùng chiều kim
đồng hồ .......................................................................................................................... 25
Hình 2.5. Hệ điều khiển động cơ một chiều không chổi than....................................... 26
Hình 2.6. Quỹ đạo từ thông stator không tròn với 6 “bậc” trong 1 chu kỳ................... 28
Hình 2.7. Dạng đồ thị xung điều chế PWM .................................................................. 29

i


Danh sách hình vẽ

Hình 2.8. Nguyên lý điều khiển tải bằng xung PWM ................................................... 29
Hình 2.9. Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra...................................................... 30
Hình 2.10. Động cơ BLDC có điều tốc PWM .............................................................. 30
Hình 3.1. Động cơ không chổi than 90ZWN24-120P………………………………….33
Hình 3.2. Sơ đồ chân của chip ATmega 328P-AU ....................................................... 34
Hình 3.3. Mosfet IRF-3205 ........................................................................................... 35
Hình 3.4. Cấu tạo IC IR2110 ........................................................................................ 36
Hình 3.5. Cấu trúc module xử lí trung tâm ................................................................... 37
Hình 3.6. Hệ thống phản hồi dòng điện ........................................................................ 38
Hình 3.7. Mạch điều khiển van mosfet ......................................................................... 39
Hình 3.8. Mạch lực điều khiển động cơ BLDC ............................................................ 40
Hình 3.9. Sơ đồ đấu nối với động cơ ............................................................................ 41

Hình 3.10. Mạch nguồn 5V ........................................................................................... 41
Hình 3.11. Mạch nguồn 12V ......................................................................................... 41
Hình 3.12. Mạch nạp bootloader, nạp code và nhận tín hiệu từ master ........................ 42
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ BLDC ................................................ 43
Hình 3.14. Mạch điều khiển động cơ BLDC ................................................................ 43
Hình 3.15. Giao diện phần mềm arduino IDE .............................................................. 44
Hình 3.16. Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ BLDC ............................................. 45
Hình 4.1. Fly cam sử dụng động cơ BLDC………………….....………………………49
Hình 4.2. Động cơ BLDC sử dụng trong ổ đĩa ............................................................. 49
Hình 4.3. Động cơ BLDC dùng để di chuyển các kệ hàng ........................................... 51

ii


Danh sách các bảng biểu

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường ....................... 6
Bảng 2.1. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ…………….26
Bảng 2.2. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ .............. 27
Bảng 3.1. Đặc tính động cơ BLDC 90ZWN24-120P………………………………….33
Bảng 3. 2. Bảng phân vị trí, chức năng các chân vào ra trên vi điều khiển .................. 37

iii


Danh sách các từ viết tắt

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
BLDC: Brushless Direct Current (một chiều không chổi than)

ĐCMC: Động cơ một chiều
PWM: Pulse With Modulation (Điều chế độ rộng xung)
USART: Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter (truyền thông nối
tiếp đồng bộ và không đồng bộ)
ADC: Analog Digital Convert (chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số)
SPI: Serial Peripheral Interface (giao diện ngoại vi nối tiếp)
I2C: Inter – Integrated Circuit (Bus giao tiếp giữa các IC với nhau

iv


Lời nói đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp
do việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Cùng với sự
thay đổi của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công nghệ về tự động hoá cũng
có những bước phát triển vượt bậc và trở thành ngành mũi nhọn của thế giới.
Các hệ thống tự động hoá sử dụng động cơ điện truyền thống thường được thiết kế
với những phần tử tương tự tương đối rẻ tiền. Điểm yếu của các hệ thống tuơng tự là
chúng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và tuổi thọ của các thành phần. Một nhược
điểm nữa của các hệ thống này là khó mở rộng và nâng cấp. Các cấu trúc điều khiển số
khắc phục được tất cả những nhược điểm của các cấu trúc truyền động tương tự và bằng
cách sử dụng các bộ xử lý có thể lập trình được việc nâng cấp trở nên rất dễ dàng do
được thực hiện bằng phần mềm. Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép chúng ta
thực hiện được những bài toán điều khiển số yêu cầu độ phân giải cao, tốc độ và khối
lượng tính toán lớn chẳng hạn như các bài toán điều khiển thời gian thực. Ngoài ra,
chúng còn cho phép tối thiểu hoá các thời gian trễ trong mạch vòng điều khiển. Những
điều khiển hiệu suất cao này còn cho phép giảm được dao động momen, giảm đáng kể
tổn thất công suất như tổn thất công suất do các điều hoà bậc cao gây ra trong rotor. Các

dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hoá các phần tử công suất và các bộ lọc đầu vào.
Những tiến bộ gần đây trong ngành Vật liệu từ (Nam châm vĩnh cửu), ngành điện
tử công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện
đại đã ảnh hưởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động cơ
một chiều không chổi than kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất hàng
hoá, thiết bị, các bộ xử lý của thị trường cạnh tranh khắp thế giới.
Là sinh viên ngành Cử nhân Điều khiển và Tự động hoá tại Đại học Bách Khoa Hà
Nội, em có cơ hội được tiếp xúc với động cơ một chiều không chổi than và nhận thấy
những ứng dụng to lớn của động cơ này trong thực tiễn nên em quyết định thực hiện đề
tài thực tập công nghiệp của mình để nghiên cứu điều khiển hệ truyền động động cơ này

1


Lời nói đầu

dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tùng Lâm.
Với sự giúp đỡ của nhà trường và viện Điện em đã được nhận đề tài tốt nghiệp là
"Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều không chổi than BLDC".
Với nội dung bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Chương 2: Mô hình toán học và phương pháp điều khiển động cơ BLDC
Chương 3: Thiết kế điều khiển cho động cơ BLDC
Chương 4: Ứng dụng của động cơ BLDC trong thực tiễn
Do khả năng còn hạn chế nên chắc chắn đồ án của em không tránh khỏi nhiều thiếu
sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Tùng Lâm, cùng các thầy cô trong Viện kỹ
thuật điều khiển và tự động hóa đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có thể hoàn thành
được đồ án này.
Em xin chân thành cám ơn.

Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Việt Thắng

2


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG
CHỔI THAN (BLDC)
1.1. Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính của
chúng thích hợp với các truyền động servo. 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 cách chuyển
mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor 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 1.1. Động cơ một chiều không chổi than BLDC

Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than BLDC từ lâu đã được sử
dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ (vài W đến vài chục W) như trong

3


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
các ổ đĩa quang, quạt làm mát trong máy tính các nhân, thiết bị văn phòng (máy in ,
scan...). Trong các ứng dụng đó mạch điều khiển được chế tạo đơn giản và có độ tin cậy
cao.
Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, công nghệ chế tạo vật liệu làm nam
châm vĩnh cửu cũng có những bước tiến lớn, đã làm cho những ưu điểm của các hệ
thống truyền động điện sử dụng động cơ BLDC so với động cơ một chiều có cổ gópchổi than hay động cơ dị bộ trở lên rõ rệt hơn, đặc biệt là ở các hệ thống truyền động di
động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ ắc qui, pin hay năng lƣợng mặt trời.
Trong đó không thể không nhắc đến là các hệ truyền động xe kéo trên xe điện với công
suất 3 từ vài chục đến 100kW. Trong công nghiệp, chúng còn được sử dụng rộng rãi
trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW.
BLDC là một loại của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, nó sử dụng các bộ cảm
biến vị trí và một bộ chuyển đổi (inverter) để điều khiển dòng điện phần ứng.
Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và ĐCMC thông thường
hoàn toàn giống nhau, thực tế chúng có những khác biệt đáng kể ở một vài khía cạnh.
Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập tới sự khác
nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Khi nói về chức năng của động cơ điện, không
được quên ý nghĩa của dây quấn và sự đổi chiều. Đổi chiều là quá trình biến đổi dòng
điện một chiều ở đầu vào thành dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dòng
điện này tới mỗi dây quấn ở phần ứng động cơ. Ở động cơ một chiều thông thường, sự
đổi chiều đƣợc thực hiện bởi cổ góp và chổi than. Ngược lại, ở động cơ một chiều không
chổi than, đổi chiều được thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị bán dẫn như transitor,
MOSFET, GTO, IGBT.
Ưu điểm của động cơ BLDC:
- Đặc tính tốc độ/mô men tuyến tính.
- Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.

- Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao
trên rotor.
- Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí.

4


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
- Không gây nhiễu khi hoạt động.
- Dải tốc độ rộng.
- Mật độ công suất lớn.
- Vận hành nhẹ nhàng (dao động mô men nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt
được điều khiển vị trí một cách chính xác).
- Mô men điều khiển được ở vị trí bằng không.
- Kết cấu gọn.
- Có thể tăng giảm tốc độ trong thời gian ngắn.
Nhược điểm của động cơ không chổi than BLDC:
- Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo có giá thành
cao.
- Nếu dùng các loại nam châm sắt từ thì dễ bị từ hóa, khả năng tích từ không
cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

Hình 1.2. Các thành phần cơ bản của động cơ BLDC

Động cơ BLDC có những ưu điểm vượt trội so với các động cơ một chiều thông
thường. Khi so sánh hai loại động cơ này về mặt công nghệ hiện tại, ta thường đề cập
tới sự khác nhau hơn là sự giống nhau giữa chúng. Bảng 1.1 so sánh hai loại động cơ
này để thấy được sự giống và khác nhau giữa hai động cơ từ đó có thể khẳng định chắc
chắn hơn những ưu điểm nổi trội hơn của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không
chổi than.

5


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Ta có bảng so sánh 2 động cơ này:
Bảng 1.1 So sánh động cơ BLDC với động cơ một chiều thông thường

Các thông
số so sánh

Động cơ một
chiều không
chổi than
(BLDC)

Động cơ một
chiều thông
thường

Ưu điểm động cơ BLDC so
với động cơ một chiều
thông thường

Bộ chuyển
mạch

Đảo chiều bằng
điện tử dựa trên
thông tin cảm

biến vị trí Rotor

Đảo chiều dòng
điện cơ khí bằng
chổi than, cổ góp

BLDC sử dụng chuyển mạch
điện tử thay thế cho chuyển
mạch cơ
Điện áp rơi trên các linh kiện
điện tử nhỏ hơn điện áp rơi
trên chổi than

Hiệu suất

Cao

Trung bình

Bảo trì

Rất ít hoặc không
cần bảo trì

Định kỳ

Khả năng
tản nhiệt

Tỷ số công

suất ra, kích
cỡ
Đặc tính
tốc độ /
momen

Đáp ứng
động

Cao

Trung bình, thấp

Không phải bảo trì chổi
than, cổ góp
Với BLDC, chỉ có các cuộn dây
phần ứng phát sinh nhiệt khi
làm việc. Ngoài ra, các cuộn
dây phần ứng được bố trí ở
stator cho phép tản nhiệt tốt hơn
qua vỏ động cơ. Với động cơ
một chiều thông thường, tổn
hao nhiệt xuất hiện ở cả dây
quấn stator và rotor. Ngoài ra
việc tỏa nhiệt của dây quấn
rotor là khó khăn hơn

Cao

Trung bình thấp

BLDC sử dụng các nam châm
vĩnh cửu bằng vật liệu tiên
tiến, không có tổn hao trên
rotor.

Bằng phẳng

Tương đối bằng
phẳng

BLDC không có ma sát ở chổi
than làm giảm moment

Nhanh

Chậm

6

Moment quán tính của rotor
BLDC thường nhỏ hơn so với
moment quán tính của rotor
động cơ một chiều thông
thường


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Dải điều
chỉnh tốc độ

Cao

Thấp

BLDC không bị giới hạn tốc
độ về mặt cơ khí do chổi than
và cổ góp

Nhiễu điện

Thấp

Cao

BLDC không có tia lửa điện
khi vận hành do không có chổi
than cổ góp, vì vậy ít gây nhiễu
hơn

Tuổi thọ

Cao

Thấp

Do BLDC không có chổi than,
cổ góp

1.2. Cấu tạo động cơ BLDC

Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch
điện tử thay cho kết cấu cổ góp-chổi than để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn
dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm đƣợc điều đó phần
ứng cũng phải tĩnh. Như vậy, về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động
cơ một chiều truyền thống có sự hoán đổi vị trí giữa phần cảm và phần ứng, phần cảm
trên rotor và phần ứng trên stator.
Cũng chính vì cấu tạo không có cơ cấu cổ góp-chổi than nên động cơ BLDC mới có
nhiều ưu điểm hơn so với các động co một chiều thông thường như ta đã kể ra ở phần
trên.
Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơ xoay
chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu. Hình 1.2.
minh họa cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình.

Hình 1.3. Sơ đồ khối động cơ BLDC

7


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Từ hình 1.3 ta thấy rằng động cơ một chiều 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. Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều
nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản
của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết
hợp một vài phương tiện để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra
các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử.
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, 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 một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng khá phổ

biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản.
1.2.1. Stator động cơ BLDC
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. Theo truyền
thống cấu tạo 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.

Hình 1.4. Stator động cơ BLDC

8


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
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 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.
Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên sự khác
nhau của hình dáng sức phản điện động. Động cơ BLDC có 2 dạng sức phản điện động
là dạng hình sin và dạng hình thang. Điều này làm cho mô men của động cơ hình sin
phẳng hơn nhƣng giá thành lại đắt hơn do phải có thêm các bối dây nối liên tục, còn
động cơ hình thang lại rẻ hơn nhưng đặc tính mô men lại có sự nhấp nhô vì sự thay đổi
điện áp của sức phản điện động là lớn hơn.

Hình 1.5. Các dạng sức điện động động cơ BLDC

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 động cơ BLDC
Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt có dán các thanh nam châm vĩnh cửu. Ở
các động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, người ta thường chế tạo trục động cơ có dạng hình
trụ rỗng.
9


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC

Hình 1.6. Các dạng rotor động cơ BLDC

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 làm nam châm thích hợp
được chọn tương ứng. Nam châm Ferrite thường được sử dụng, tuy giá thành rẻ nhưng
mật độ từ trường thấp. Khi công nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng
phổ biến. Trong khi đó các loại nam châm được sản xuất từ các hợp kim đất hiếm. Vật
liệu hợp kim đất hiếm có mật độ từ trường trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ
kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được mô men tương ứng. Do đó, với cùng thể tích,
mô men của rotor có nam châm làm từ vật liệu hợp kim luôn lớn hơn nam châm làm từ
Ferrite. Điều này đặc biệt có ích đối với các động cơ công suất lớn. Nam châm được sản
xuất từ vật liệu hợp kim hiếm có giá thành cao và thường chỉ được sử dụng trong các
ứng dụng công nghệ cao.
1.2.3. Cảm biến xác định vị trí Rotor
Không giống như những động cơ một chiều thông thường dùng cơ cấu cổ góp- chổi
than, chuyển mạch của động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than được
điều khiển bằng điện tử. 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 sẽ được

cấp điện theo thứ tự. Như chúng ta đã biết, đổi chiều dòng điện căn cứ vào vị trí của từ
thông rotor. Do đó vấn đề xác định được vị trí từ thông rotor là rất quan trọng để ta biết
được cuộn dây trên stator tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện. Để xác

10


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
định vị trí từ thông rotor, ta dùng các thiết bị cảm biến sau:
-

Cảm biến Hall

-

Cảm biến từ trở MR (magnetoresistor sensor).

-

Đèn LED hoặc transistor quang.

Hầu hết các động cơ một chiều không chổi than đều có cảm biến 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, các cảm biến sẽ hoạt động, gửi các tín hiệu cao hoặc thấp
tương ứng với khi cực Bắc (N) hoặc cực Nam (S) đi qua cảm biến.
Cảm biến Hall
Người ta thường dung cảm biến hiệu ứng Hall (Hall sensor). Nó tạo ra sức điện động
đồng bộ phục vụ cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở bộ chuyển mạch điện tử.
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 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.
Bộ cảm biến từ trở MR
Từ thông sẽ làm thay đổi điện trở mạch, với phương pháp này ta có thể phát hiện
chính xác vị trí của từ thông. Khi nam châm đến gần thành phần cảm biến từ trở, điện
trở của thành phần này sẽ bị thay đổi. Sự thay đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm
của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ giảm dần tới khi nam châm hoàn toàn vượt qua thành
phần này. Điện trở thay đổi được tính theo công thức:

R=

𝑈
𝑚.𝑣

Trong đó: R là điện trở thay đổi.
m là mật độ hạt mang điện.
v là vận tốc hạt mang điện.

11

(1.1)


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Dùng đèn LED transistor quang và màn chắn

Hình 1.7. Thiết bị cảm biến vị trí rotor dùng transistor quang

Trên hình 1.7 là hệ thống xác định vị trí từ thông rotor dùng transistor quang hay màn
chắn. Nguyên lý hoạt động: Một transistor PT1 ở trạng thái dẫn thì hai transistor còn lại

là PT2 và PT3 ở trạng thái tắt
Mạch điện tử công suất gồm 6 transistor (hình 1.7) được mắc thành cầu đối xứng. Ba
cuộn dây stator được nối tam giác. Trên rotor gắn mạch tạo tín hiệu điều khiển động cơ.

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC điều khiển bằng trisistor quang

1.2.4. Bộ chuyển mạch điện tử
Ở động cơ một chiều không chổi than 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
transitor công suất chuyển mạch theo vị trí roto.

12


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Do trong cấu trúc của động cơ một chiều không chổi than 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.
1.2.5. Sức phản điện động
Khi động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu không chổi than quay, mỗi cuộn dây tạo
ra một điện áp gọi là sức phản điện động chống lại điện áp nguồn cấp cho cuộn dây đó
theo luật Lenz. Chiều của sức phản điện động này ngược chiều với điện áp cấp. Sức
phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào ba yếu tố: Vận tốc góc của rotor, từ trường sinh
ra bởi nam châm vĩnh cửu và số vòng trong mỗi cuộng dây trên stator.
EMF = E ≈ NlrB𝛚

(1.2)

Trong đó: N là số vòng dây trên một pha

l là chiều dài rotor
r là bán kính trong của rotor
B là mật độ từ trƣờng rotor
𝛚 là vận tốc góc của động cơ
Trong động cơ BLDC từ trường rotor và số vòng dây stator là hằng số luôn không
đổi. Chỉ có duy nhất vận tốc của rotor là làm thay đổi sức phản điện động. Khi vận tốc
của rotor tăng thì sức phản điện động cũng tăng theo. Trong các tài liệu kỹ thuật của
động cơ có đưa ra hằng số sức phản điện động có thể sử dụng để ước lƣợng sức phản
điện động tương ứng với một tốc độ nhất định

1.3. Nguyên lí hoạt động của động cơ BLDC
Động cơ BLDC hiện diện trong khá nhiều hệ khác nhau nhưng động cơ 3 pha là loại
thông dụng nhất tối ưu hiệu suất và giảm gợn sóng momen quay (trơn). Loại động cơ
này cũng đưa ra sự đồng thuận giữa việc điều khiển chính xác với số thiết bị cần để điều
khiển dòng stator.

13


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
BLDC ba pha được điều khiển trong 2 pha, nghĩa là hai pha mà tạo ra momen lớn
nhất sẽ được kích hoạt trong khi pha thứ ba bị ngắt. Để làm được việc đó thì cần biết
được vị trí chính xác của rotor để điều khiển quá trình đóng cắt các khoá bán dẫn, cấp
nguồn cho các cuộn dây stator theo trình tự hợp lý . Momen được sinh ra do tương tác
giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây của stator với nam châm vĩnh cửu. Một cách
lý tưởng, momen lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau góc 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.
Sơ đồ nguyên lý làm việc động cơ:

Hình 1.9. Sơ đồ cấp điện cho cuộn dây

1.4. Các hệ truyền động dùng cho động cơ BLDC
1.4.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)
Stator động cơ có ba cực từ ba buộn dây đặt lệch nhau 1200 , nó được cấp bởi nguồn
một chiều qua ba tranzisto tương ứng với vai trò là bộ chuyển mạch điện tử. Bộ chuyển
mạch điện tử này được điều khiển từ bộ cảm biến vị trí.

14


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC

Hình 1.10. Minh hoạ nguyên lý làm việc của động cơ BLDC truyền động một cực tính

Hình 1. 11.Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

Tại mỗi thời điểm chỉ có một tranzisto quang được chiếu sang, nên ba pha
phototrazisto đặt cách nhau 1200 và màng chắn sang là cung dài 2400 . Màng chắn sáng
gắn cùng quay với nam châm vĩnh cửu (hình 1.), 𝑃𝑇1 chiếu sáng tranzisto 𝑇𝑟1 mở, dòng
điện một chiều chạy qua 𝑊1 (pha a) tác động với từ trường nam châm sinh ra momen
làm quay roto.
2.4.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)
Ở động cơ một chiều không chổi than, 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 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.

15

Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC

Hình 1.12. Chuyển mạch 2 cực tính 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 2.11 . Trong đó 6 chuyển mạch là các van công suất, đối với
động cơ công suất nhỏ thì các van chuyển mạch có thể dùng van MOSFET còn với các
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 roto để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn
phần ứng khi roto quay giống như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông
thường.

1.5. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc động cơ BLDC
Đặc tính cơ của động cơ BLDC giống đặc tính cơ của động cơ điện một chiều truyền
thống. Tức là mối quan hệ giữa mô men và tốc độ là các đƣờng tuyến tính nên rất thuận
tiện trong quá trình điều khiển động cơ để truyền động cho nhiều cơ cấu khác. Động cơ
BLDC không dùng cơ cấu cổ góp-chổi than nên ta có thể tăng tốc độ do không có sự
đánh lửa gây mài mòn. Vì vậy mở rộng vùng điều chỉnh của động cơ BLDC là việc
không hề khó khăn.
Các đại lượng cơ bản động cơ BLDC
-

Sức điện động pha: E (V)

-

Hệ số sức điện động 𝐾𝑒 =

-

Momen M (N.m)

𝐸
ω

16


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
𝑀

𝑁.𝑚

-

Hệ số momen 𝐾𝑚 =

-

Số đôi cực 𝑃𝑝

-

Tốc độ cơ ω𝑚 =

-

Dòng điện một chiều 𝐼𝑑 (A)

-

Điện áp một chiều 𝑈𝑑 (V)

𝐼𝑑

(

𝐴

)

𝑤
𝑃𝑝

Ta có công suất tiêu thụ động cơ BLDC là:
P = 2𝐸. 𝐼𝑑 = 𝑀ω𝑚



M=

(1.3)

2𝐸𝐼𝑑

(1.4)

ω𝑚

Phương trình cân bằng điện áp :
𝑈𝑑 = 2𝑅𝑠 𝐼𝑑 + 2𝐸

(1.5)

Từ (1.3) và (1.5) ta có phương trình đặc tính cơ truyền động động cơ BLDC:
ω=

𝑈𝑑
𝐾𝑒

−2𝑅𝑠

𝑀
𝐾𝑒 𝐾𝑚

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC và được vẽ như sau:

Hình 1.13. Đặc tính cơ của động cơ BLDC

17