Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUỐC CHIẾN

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIẾU KHÔNG CHỔI THAN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN VĂN CHÍ

THÁI NGUYÊN, 2015


i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Quốc Chiến
Sinh ngày 12 tháng 03 năm 1974
Học viên lớp cao học khoá 15 CH.TĐH 02 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ
động cơ một chiều không chổi than” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng
dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2014
Học viên

Nguyễn Quốc Chiến


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than ” đã được
hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10.năm 2014
Tác giả

Nguyễn Quốc Chiến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG C
Ơ MỘTCHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
1.1

Tổng quan về động cơ BLDC ...................................................................... 5

1.2

Cấu trúc của động cơ BLDC........................................................................ 6

1.2.1

Cấu tạo stato của động cơ BLDC ................................................................ 6

1.2.2

Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC ........................................................ 7

1.2.3

Cảm biến xác định vị trí rôto ....................................................................... 8

1.2.4

Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC.................................................... 8

1.3

Ưu điểm, nhược điểm của động cơ BLDC ................................................ 10

1.3.1

Ưu điểm ..................................................................................................... 10

1.3.2

Nhược điểm................................................................................................ 10

1.4

Một số phương pháp điều khiển động cơ BLDC....................................... 11

1.4.1

Phương pháp điều khiển sử dụng cảm biến ............................................... 11

1.4.2

Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến . 16

Chương 2

MÔ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI Đ
IỆN ÁP

2.1

Mô hình động cơ BLDC ............................................................................ 24

2.2

Mô hình của bộ biến đổi điện áp cấp cho BLDC ...................................... 29

2.3

Kết luận chương 2 ...................................................................................... 31

Chương 3

3.1

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC KHÔN
G DÙNG
CẢM BIẾ
N

Cấu trúc điều khiển BLDC không dùng cảm biến..................................... 32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

3.2

Khối ước lượng vị trí rotor và tính toán tốc độ quay ................................. 34

3.2.1

Ước lượng back - EMF dây sử dụng bộ quan sát ..................................... 34

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

3.2.2

Xác định hàm chuyển mạch ....................................................................... 37

3.2.3

Ước lượng tốc độ và vị trí của rotor .......................................................... 38

3.3

Bộ điều khiển dòng điện PWM.................................................................. 41

3.4

Bộ điều khiển tốc độ dùng PI..................................................................... 43

3.5

Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 43

3.6

Kết luận chương 3 ...................................................................................... 48

Chương 4

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN
TỐC ĐỘ
CHO BLD
C

4.1

Giới thiệu mô hình thực nghiệm BLDC ................................................... 49

4.2

Cấu trúc của mô hình ................................................................................. 52

4.3

Các thông số của mô hình thực nghiệm..................................................... 53

4.4

Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 53

4.5

Kết luận chương 4 ...................................................................................... 55

Kết luận chung của luận văn ..................................................................................... 56
Tài liệu tham khảo..................................................................................................... 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BLDC

Brushless DC Motor

Động cơ một chiều không
chổi than

Back EMF

Back Electromotive Force

Sức phản điện động phần
ứng

PID
PI

Proportional- Intergral- Derivative

–

-

Proportional Integral

Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân

PWM

Pulse-width modulation

Điều chế độ rộng xung

DSP

Digital signal processing

Xử lý tín hiệu số

ZCP

Zero Crossing Point

Các điểm chuyển tiếp qua
giá trị 0

CP
LPFs
HVAC

IGBT

Commutation point

Điểm chuyển mạch

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

Heating, Ventilation and Air

Hệ thống gia nhiệt, thông

Conditioning

gió và điều hòa không khí

(Insulated Gate Bipolar Transistor

Transistor có cực điều khiển
cách ly

MOSFEET

Metal-Oxide Semiconductor Field-

Transistor hiệu ứng trường

Effect Transistor

Oxit Kim loại - Bán dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

LỜI NÓI ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Động cơ một chiều không chổi than (The Brushless DC motor -BLDC) nhanh
chóng phổ biến với sự áp dụng trong nhiều ngành khác nhau như tự động hóa các
trang thiết bị điện trong công nghiệp, trong hàng không, trong y học, trong dân
dụng, trong các phương tiện vận tải v.v. Động cơ không chổi than dần dần sẽ thay
thế động cơ một chiều sử dụng chổi than vì các ưu điểm sau [10][11][12]:
- Đặc tính tốc độ và mô men tốt hơn
- Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ

- Hiệu suất sử dụng cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao
đồng trên rôto
- Tuổi thọ động cơ cao do không có chuyển mạch cơ khí
- Động cơ chạy êm, tiếng ồn nhỏ
- Không gây nhiễu khi hoạt động
- Có thể điều chỉnh dải tốc độ rộng
Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng
cảm biến vị trí và phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến (sensorless
control).
a. Phương pháp sử dụng cảm biến
Cảm biến dùng để xác định vị trí của rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện
vào các cuộn dây tương ứng. Cảm biến xác định vị trí có thể sử dụng là cảm biến
Hall, cảm biến tốc độ từ trở biến thiên, gia tốc kế. Tín hiệu điều khiển đưa tới các
cuộn dây để điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách [11] :
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho các cuộn dây stator.
+ Điều khiển bằng phương pháp PWM.
+ Kỹ thuật điện áp hình thang.
b. Phương pháp không sử dụng cảm biến
Đây là phương pháp sử dụng các ước lượng từ thông rotor để điều khiển các
khóa đóng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống. Do đó phương pháp này được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

gọi là phương pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Cơ sở chính
của điều khiển không cảm biến đối với động cơ BLDC là dựa vào thời điểm qua
zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ. Tuy nhiên phương pháp
này chỉ áp dụng được phương pháp điện áp hình thang.
Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến:

Một là xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phương pháp
này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ.
Hai là ước lượng vị trí dùng các thông số của động cơ, các giá trị điện áp và
dòng điện trên động cơ. Phương pháp này đòi hỏi phải tính toán phức tạp để tính
toán các thông số. Phương pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành
cao. Phương pháp ước lượng vị trí rotor dựa vào thời điểm qua zero của sức điện
động đòi hỏi chúng ta phải tạo ra một điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua
zero của sức điện động. Điểm trung tính có thể là trung tính hoặc trung tính ảo.
Điểm trung tính ảo trên lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn
dây đấu hình Y. Tuy nhiên điểm trung tính không phải là điểm cố định. Điện áp của
điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn. Đặc biệt là lúc
động cơ khởi động tín hiệu nhận được rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác.
Do vậy phương pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính
khởi động nhỏ.
Trước đây đã có một số nghiên cứu công bố một số mô phỏng cho sự phân
tích hoạt động của các động cơ BLDC không sử dụng bộ điều khiển, những đặc tính
của chúng được so sánh với tín hiệu mẫu bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân [9]. Trong
các sức điện động phản hồi có hình dạng là các chuỗi xung hình thang EMF là một
hàm của vị trí rô to và hàm chuyển đổi được thông qua tín hiệu điện áp ra của bộ
nghịch lưu. Kết quả thu được là các thông số về điện áp và dòng điện của bộ nghịch
lưu. Vì vậy, nếu ta sử dụng bộ xử lý tín hiệu số sẽ rút ngắn thời gian tính toán và có
thể trở thành một công cụ thiết kế hữu ích đối với sự phát triển của động cơ một
chiều không chổi than BLDC. Các kết quả nghiên cứu trong nước thể hiện ở trong
các tài liệu [10],[11] mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển PID, PI với
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

phương pháp có sử dụng cảm biến. Các phương pháp này mang lại chất lượng tốt
trong dải tốc độ lớn cỡ 500 vòng/phút trở lên, tuy nhiên trong dải tốc độ chậm và rất

chậm những phương pháp này không mang lại chất lượng tốt.
Với việc ứng dụng vi xử lý trong điều khiển BLDC cho phép chúng ta thực
hiện giải pháp không dùng cảm biến nhằm giảm giá thành sản phẩm và khắc phục
những khó khăn khi gắn cảm biến, đặc biệt là những động cơ BLDC nhỏ. Chính vì
vậy việc nghiên cứu và thực hiện giải pháp điều khiển BLDC không sử dụng cảm
biến mang tính cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Mục tiêu chung
Luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều

khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than sử dụng phương pháp không dùng
cảm biến. Phương pháp này sử dụng bộ quan sát để ước lượng tốc độ quay và vị trí
của rotor nhằm cung cấp cho các bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ,
các bộ điều khiển này sử dụng vi xử lý (hoặc DSP- bộ xử lý tín hiệu số). Phương
pháp cần phải khắc phục hiện tượng xác định điểm qua không ở dải tốc độ thấp
nhằm ước lượng được vị trí của rotor một cách chính xác hơn, kết hợp thuật toán
điều khiển tốc độ sử dụng luật điều khiển PI để điều chỉnh tốc độ với độ chính xác
hơn trong cả dải tốc độ thấp và tốc độ cao.
-

Mục tiêu cụ thể
Nghiên cứu mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp
Thiết kế bộ quan sát để ước lượng tốc độ và vị trí của rotor
Thiết kế bộ điều khiển dòng PWM
Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
Mô phỏng bằng Matlab/Simulink
Xây dựng thực nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

-

Các kết quả đạt được trong luận văn:
+ Xây dựng được mô hình toán học của động cơ không chổi than.
+ Thiết kế được bộ quan sát để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ thay
cho cảm biến Hall, giải pháp ước lượng vị trí và tốc độ quay chính xác ở tốc
độ thấp.
+ Thiết kế được bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng
luật điều khiển PI
+ Xây dựng được mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi
than 2.5KW
+ Chạy thực nghiệm

3. Nội dung của luận văn
Luận văn thực hiện các nội dung sau:
a. Tìm hiểu về BLDC, nguyên lý làm việc và các phương pháp điều khiển
tốc độ cho BLDC, phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp
b. Xây dựng mô hình toán của BLDC
c. Thiết kế bộ quan sát để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ
d. Thiết kế được bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay
dùng luật điều khiển PI
e. Xây dựng được mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi
than 2.5KW
Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ BLDC
Chương 2: Mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp
Chương 3: Điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển BLDC
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Chương 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Equation Chapter (Next) Section 1

1.1 Tổng quan về động cơ BLDC
Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC Motor) là một dạng động
cơ đồng bộ có kết cấu giống như động cơ một chiều, tuy nhiên động cơ BLDC kích
từ bằng nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây
quấn phần ứng stator. Điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm
biến xác định vị trí rotor. Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị
trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ
không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì nguyên tắc điều khiển
dựa vào vị trí rotor như vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển
chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ.

Nam châm Rô
Cuộn dây Stato

Các cảm biến Hall
Hình 1-1 Một động cơ một chiều không chổi than có cảm biến Hall đặt bên trong động

cơ

Động cơ BLDC là một trong những loại động cơ đã được phổ biến nhanh
chóng hơn động cơ một chiều chổi than, chủ yếu là do đặc điểm và hiệu suất của nó
và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, trong hàng không
vũ trụ, trong ngành giao thông vận tải, trong dân dụng v.v. bởi vì cấu trúc và mức
độ độ an toàn của nó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC
Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng
chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch
dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển
mạch 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 rôto và phần ứng trên stato.
Nam châm vĩnh cửu dùng để kích từ có thể là loại nam châm điện từ hoặc
loại nam châm hiếm như: AlNiCo, NdFeB, SmC v.v. Với công nghệ chế tạo nam
châm ngày càng phát triển mạnh, các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu ngày càng
được cải thiện, chất lượng nam châm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phép động cơ
BLDC được chế tạo và ứng dụng nhiều hơn.
1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC
Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng
0

được đặt lệch nhau 120 điện trong không gian của stato. Stato của động cơ BLDC
gồm các lá thép mỏng được xếp chặt cùng với các cuộn dây được đặt trong các khe
dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu như vậy trông giống như trong động cơ

không đồng bộ. Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên
stato của động cơ BLDC được phân bố với mật độ đều nhau dọc theo mặt trong của
stato.

Hình 1-2 Cách phân bố các cuộn dây trên stato

Với sự phân bố từ trường và cách phân bố các cuộn dây stato như vậy, động
cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra từ trường phân bố đều hơn, công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

nghệ chế tạo đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhưng đập mạch mômen cũng lớn hơn động
cơ có sức điện động hình sin.
1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC
Rotor của động cơ BLDC gồm có phần lõi bằng thép và các nam châm vĩnh
cửu được gắn trên đó theo các cách khác nhau, về cơ bản có hai phương pháp gắn
các nam châm vĩnh cửu trên lõi rôto.
a. Rotor có nam châm gắn trên bề mặt lõi
Các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt lõi rô to. Kết cấu này đơn giản
trong chế tạo nhưng không chắc chắn nên thường được sử dụng trong phạm vi tốc
độ trung bình và thấp.
S

N

N

S

S

N
N

S

Hình 1-3 Rôto có nam châm gắn trên bề mặt

b. Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi
Trong lõi rôto có các khe dọc trục và các thanh nam châm vĩnh cửu được
chèn vào các khe này. Kết cấu này khó khăn trong chế tạo và lắp ráp, đặc biệt là khi
công suất lớn, nhưng chắc chắn và được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao.

NS

NS

S

N

S

N

SN

S

N

Hình 1-4 Rôto có nam châm ẩn bên trong lõi

Trong động cơ BLDC, các nam châm vĩnh cửu trên rôto tạo ra từ trường
hướng tâm và phân bố đều dọc theo khe hở không khí giữa stato và rô to.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto
Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder. Có thể đặt
các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến
bên ngoài lắp vào trục động cơ.
Cảm biến hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) được dùng trong động cơ
BLDC để xác định vị trí cực nam châm của rotor. Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ
điều khiển đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC cho cuộn dây stato tương ứng.
Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trường và có một dòng điện DC chạy qua thì sẽ
có một điện áp sinh ra tại đầu ra của cảm biến.
Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ.
Điện áp U sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từ
trường. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân [1, 0] do
đó cả cảm biến đều được chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng
0

xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 120 điện hay
0

60 điện để xác định chính xác vị trí rô to để điều khiển tương ứng các pha của dòng
điện phần ứng stato.

1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn
dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.
Mômen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do
nam châm rô to tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra.
Xu hướng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau.
Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vuông góc với nhau.
Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được
cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ
cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rô to quay
theo. Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ
vào chiều quay của rôto. Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

khác được xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do quá
trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất.
Ta có mômen được xác định bằng biểu thức:
ebib

ea ia

Te

ecic

(1.1)

m

Trong đó: ea, eb, ec: sức điện động cảm ứng của pha A, B, C (V)
ia, ib,ic: dòng điện các pha A, B, C (A)
ωm: vận tốc góc của trục Rotor (rad/s)
Để đạt được yêu cầu trên, ta mong muốn cấp điện cho cuộn dây vào thời
điểm sao cho dòng điện trùng pha với sức điện động cảm ứng và dòng điện cũng
0

được điều chỉnh để đạt biên độ không đổi trong khoảng có độ rộng 120 điện. Nếu
không trùng pha với sức điện động thì dòng điện cũng sẽ có giá trị lớn và gây thêm
tổn hao trên stato
e, i

Thời điểm
chuyển mạch

Sức điện động
cảm ứng pha
Dòng điện pha

0

30

150 180

210

330

360

t

Hình 1-5 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện

Việc xác định thời điểm chuyển mạch dòng điện bằng việc giám sát trực tiếp
sức điện động cảm ứng pha được gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến và sẽ
được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau. Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng
pha và vị trí của rôto như mô tả ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện
cho các cuộn dây còn có thể thực hiện được bằng việc xác định vị trí của rôto nhờ
các cảm biến vị trí.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1.3 Ưu điểm, nhược điểm của động cơ BLDC
1.3.1 Ưu điểm
Động cơ DC không chổi than BLDC có các ưu điểm của động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng
cao. Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt
trên rô to nên hiệu suất động cơ cao hơn.
Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nên
không tốn chi phí bảo trì chổi than, vành trượt. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính
động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm
trên rô to.
Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:
+ Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.

+ Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.
+ Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
+ Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để
đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).
+ Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không.
+ Vận hành ở tốc độ cao.
+ Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.
+ Hiệu suất cao.
+ Kết cấu gọn.
1.3.2 Nhược điểm
Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với điều khiển bằng một
bộ điều khiển với điện áp đầu ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên
trong động cơ để xác định vị trí rô to nên tăng giá thành đầu tư khi sử dụng động cơ
BLDC do giá thành chế tạo nam châm vĩnh cửu cao. Do phải xác định vị trí của rô
to nên việc điều khiển động cơ BLDC khó khăn hơn động cơ một chiều chổi than.


1.4 Một số phương pháp điều khiển động cơ BLDC
Để điều khiển động cơ BLDC có hai phương pháp chính: phương pháp dùng
cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và phương pháp điều khiển không cảm biến
(sensorless control). Trong đó ta có hai phương pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều
khiển đó là điện áp dạng sóng hình thang và dạng sóng hình sin. Cả hai phương
pháp hình thang và hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và
không cảm biến, trong khi phương pháp không cảm biến chỉ dùng phương pháp
điện áp dạng sóng hình thang.
1.4.1 Phương pháp điều khiển sử dụng cảm biến
Một động cơ BLDC được làm việc bởi độ lệch của điện áp với vị trí rotor.
Độ lệch này phải được ứng dụng vào hoạt động bù pha của hệ thống ba cuộn dây
0

pha, để góc giữa từ thông stator và từ thông rotor được giữ gần 90 nhằm tạo ra tối
đa mô men quay. Do đó, bộ điều khiển cần một số công cụ xác định hướng/vị trí
của rotor (tương đối so với các cuộn dây stator), chẳng hạn như cảm biến hiệu ứng
Hall được gắn trong hoặc gần khe hở không khí của máy để phát hiện từ trường của
nam châm rotor đi qua. Mỗi bộ đầu ra cảm biến cho ở mức độ cao với góc quay
0

0

180 điện và mức thấp với góc 180 khác. Ba bộ cảm biến đặt lệch nhau góc 60

0

tương đối để bù đắp lẫn nhau. Bộ chia này quay một vòng thành sáu pha (mã 3-bit).

Hình 1-6

Sự làm việc động cơ BLDC được chuyển mạch điện tử.

Quá trình chuyển đổi dòng điện chỉ chạy qua hai pha làm cho rô to quay đi
0

một góc 60 được gọi là chuyển mạch điện tử. Động cơ được cung cấp từ một biến
tần ba pha và các hoạt động chuyển đổi có thể được sử dụng bộ kích xung đơn giản


bằng cách sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí được gắn tại các điểm thích hợp xung
0

quanh stato. Khi đặt tại các điểm cách nhau 60 điện và trùng với các cuộn dây pha

Stato các công tắc Hall sẽ cung cấp xung kỹ thuật số mà có thể được giải mã chuyển
đổi thành chuỗi ba pha mong muốn. Một động cơ BLDC hoạt động với một biến tần
sáu bước và cảm biến vị trí Hall thể hiện trong hình 1.7.

Hình 1-7

Tín hiệu từ cảm biến Hall, Tín hiệu phản hồi EMF, Mô men quay đầu ra
và các thời điểm tương ứng.

Một truyền động như vậy thường có một vòng lặp dòng điện để điều chỉnh
dòng điện stator và một vòng lặp tốc độ bên ngoài để điều khiển tốc độ. Tốc độ của
động cơ có thể được điều khiển nếu điện áp trên động cơ thay đổi, nó có thể đạt


được dễ dàng thay đổi chế độ làm việc của tín hiệu PWM dùng để điều khiển sáu
công tắc của cầu ba pha. Chỉ có hai công tắc chuyển đổi, một chuyển đổi mức trên
và một chuyển đổi mức thấp, truyền dẫn ngay lập tức tại bất kỳ thời điểm nào.
Những tín hiệu rời rạc chuyển mạch đảm bảo rằng trình tự các cặp tiến hành dẫn
điện đến các cực stato được duy trì. Hình 1.7 cho thấy một ví dụ về tín hiệu cảm
Hall với tín hiệu phản hồi EMF và dòng điện pha. Một trong những cảm biến Hall
0

thay đổi mỗi góc 60 điện. Điều này phải mất sáu giai đoạn để hoàn thành một chu
kỳ. Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể không hoàn toàn tương ứng với một chu kỳ
cơ khí của rô to. Số chu kỳ điện được lặp đi lặp lại để hoàn thành một vòng quay cơ
khí được xác định bởi các cặp cực rô to.
Đối với động cơ BLDC, để tiết kiệm chi phí thường được sử dụng cảm biến
hiệu ứng Hall. Ngoài ra, Cảm biến điện trở (VR) hoặc cảm biến gia tốc đã được áp
dụng rộng rãi để xác định vị trí và đo tốc độ động cơ. Thực tế cho thấy góc chuyển
động cảm biến dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ.

Hình 1-8 Mô hình phần tử cảm biến Hall

Điện áp đầu ra của cảm biến Hall được xác định bởi công thức

Ur

K h.I .B
d

(1.2)

Hầu hết các động cơ BLDC có ba bộ cảm biến Hall bên trong stator vào phần cuối
của động cơ. Khi nào các cực từ rotor qua cảm biến Hall, nó sẽ cấp một tín hiệu cao
hay thấp cho biết cực N hay cực S của rô to đi qua cảm biến.


Cuộn dây Stato
Nam châm
Rô to S
Đầu trục Động cơ

Nam châm Rô to N
Các cảm
biến Hall

Đầu cuối trục
Động cơ

Nam châm

cảm biến
Hall

Cuộn dây Stato

Hình 1-9 Mặt cắt ngang Động cơ BLDC.

Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stato. Khi các cực của
nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có
mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp
các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch
dòng điện giữa các cuộn dây pha stato. Thông thường có hai cách bố trí ba cảm biến
0

0

Hall trên stato là bố trí lệch nhau 60 hoặc 120 trong không gian. Mỗi cách bố trí
đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rôto quay.


Hình 1-10 Trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện

Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà
một trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic. Cũng từ hình trên thấy rằng
trong một chu kỳ điện có sáu sự chuyển mức logic của ba cảm biến Hall. Do đó
trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch sáu bước.
Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu
độ chính xác cao. Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến
những sai số khi xác định vị trí rôto. Để khắc phục điều này, một số động cơ có
thêm các nam châm phụ trên rôto để phục vụ cho việc xác định vị trí rôto. Các nam

châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được
gắn trên phần trục rôto nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh.
Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều
truyền thống.


1.4.2 Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến
Động cơ BLDC cung cấp một tín hiệu từ trường cho điều khiển không cảm
biến bởi vì bản chất kích từ của nó lấy thông tin vị trí rô to từ điện áp đầu cuối động
cơ. Trong kích từ của một động cơ BLDC ba pha, ngoại trừ giai đoạn chuyển mạch
pha, chỉ có hai trong ba cuộn dây pha dẫn điện tại một thời điểm và pha không dẫn
thì có sức phản điện động. Có rất nhiều phương pháp điều khiển không cảm biến.
Tuy nhiên, loại phổ biến nhất được dựa trên sức điện động hoặc các sức phản điện
động. Cảm biến sức phản điện động không phải của pha là phương pháp có hiệu quả
nhất nhận được từ trình tự chuyển mạch trong các động cơ dây quấn nối hình sao.
Khi sức phản điện động bằng không tại điểm dừng và tỷ lệ thuận với tốc độ, điện
áp đo lường tại đầu cuối động cơ có tín hiệu nhiễu lớn, tín không thể phát hiện 0
qua tốc độ thấp. Đó là lý do tại sao tất cả sức phản điện động trong các phương
pháp không cảm biến khi có đặc tính tốc độ thấp là giới hạn.

Hình 1-11 Động cơ BLDC làm việc không sử dụng cảm biến điển hình.

Trong sơ đồ này, mỗi pha trong ba pha khi chuyển mạch được nhấn mạnh
trong một màu sắc khác nhau, bao gồm: Pha A đỏ, Pha B màu xanh lá cây, pha C
màu xanh và trung tính điểm N màu hồng. Lõi sắt stator của động cơ BLDC có một
đặc tính bão hòa từ phi tuyến, đó là cơ sở mà từ đó có thể xác định vị trí ban đầu
của rotor. Khi cuộn dây stato có điện, điện áp DC đặt lên trong một thời gian nhất
định, một từ trường không đổi sẽ được hình thành. Sau đó, đáp ứng dòng điện là
khác nhau do độ cảm ứng khác nhau, sự thay đổi này của đáp ứng dòng điện chứa
các thông tin về vị trí rô to. Vì vậy, độ tự cảm của cuộn dây stato là một hàm số của

vị trí rotor. Trong đó VDC là điện áp một chiều, RS và LS là điện trở tương đương và


điện cảm của cuộn dây stato tương ứng và e là sức phản điện động hình thang. Có
hai phương pháp phát hiện back-EMF: Phương pháp phát hiện back-EMF trực tiếp
và phương pháp phát hiện back-EMF gián tiếp.
a. Phương pháp phát hiện back-EMF điểm về 0 (Cảm biến điện áp đầu
cuối)
Cách tiếp cận điểm về 0 là một trong những phương pháp đơn giản nhất của
kỹ thuật cảm biến back-EMF và được dựa trên phát hiện tức thời mà tại đó các sức
phản điện động trong pha không bị kích thích điểm về 0. Điểm 0 này tạo nên một bộ
đếm thời gian, có thể đơn giản như một bộ dao động RC không đổi, vì thế, biến tần
chuyển mạch tuần tự tiếp theo xảy ra vào cuối khoảng thời gian này.
Kỹ thuật này làm trễ góc 30° (độ điện) qua điểm 0 tức thời của back-EMF
không bị ảnh hưởng nhiều bởi những thay đổi tốc độ. Để phát hiện các ZCP, pha
back-EMF cần được theo dõi trong pha không dẫn (khi dòng điện pha riêng biệt
bằng không) và điện áp đầu cuối sẽ qua bộ qua lọc thông thấp đầu tiên.

Hình 1-12 Điểm giao nhau qua 0 của back-EMF và dòng điện pha điểm đảo

mạch.
Ba bộ lọc thông thấp (LPFs) được sử dụng để loại bỏ các sóng hài cao hơn
trong điện áp đầu cuối pha gây ra bởi sự chuyển mạch biến tần. Thời gian trễ của
LPFs sẽ hạn chế khả năng hoạt động tốc độ cao của động cơ BLDC. Phương pháp
này có xu hướng nhạy cảm độ nhiễu trong việc phát hiện về điểm 0, và suy giảm
hiệu suất vượt trên phạm vi điều chỉnh tốc độ. Một hạn chế khác là nó không thể sử
dụng điện áp nhiễu đầu cực để nhận được một khuân mẫu chuyển đổi mạch ở tốc độ


thấp từ sức phản điện động bằng 0 tại điểm dừng và tỷ lệ với tốc độ rotor. Với

phương pháp này, vị trí rotor có thể được phát hiện thông thường là từ 20% tốc độ
định mức, sau đó một khoảng tốc độ giảm thường được sử dụng, thường là khoảng
1,000-6,000 rpm.
b. Phương pháp tích hợp điện áp hài bậc ba
Phương pháp này sử dụng các sóng hài bậc ba của sức phản điện động (backEMF) để xác định sự chuyển mạch tức thời của động cơ BLDC. Nó được dựa trên
thực tế là trong động cơ ba nối hình Y đối xứng với sự phân bố từ thông khe hở
không khí hình thang, tổng cộng kết quả điện áp 3 pha stato của động cơ trong việc
loại bỏ tất cả các thành phần sóng hài có trong các pha như bậc 5, 7, vv. Kết quả là
sự vượt trội của các thành phần sóng hài bậc ba giữ một sự dịch chuyển pha không
đổi với điện áp khe hở không khí cơ bản cho bất kỳ tốc độ và tải nào. Phương pháp
này là không nhạy cảm với bộ lọc thông thấp, đạt được một hiệu suất cao cho một
dải tốc độ rộng. Một hiệu suất khởi động động cơ cao cũng đạt được vì sóng hài bậc
ba có thể được phát hiện ở tốc độ thấp.
c. Phương pháp phát hiện sự dẫn dòng Điốt bảo vệ chống dòng điện tự
cảm dẫn (cảm biến dòng điện đầu cuối)
Trong kỹ thuật này, các thông tin vị trí có thể được phát hiện trên cơ sở trạng
thái dẫn điện của điốt bảo vệ chống lại dòng điện tự cảm nối song song với
transistor nguồn vì một dòng điện chạy ngược trong một pha. Trong pha này bất kỳ
tín hiệu hoạt động được đưa đến mặt dương hay âm của các transistor và kết quả
dòng điện từ các back-EMF sinh ra trong các cuộn dây động cơ. Cách tiếp cận này
làm cho nó có thể phát hiện vị trí rô to trên một phạm vi tốc độ rộng, đặc biệt là ở
tốc độ thấp hơn và để đơn giản hóa các quá trình khởi động.
d. Phương pháp tích hợp Back-EMF
Trong kỹ thuật này, giai đoạn chuyển mạch xác định bởi sự tích hợp của sức
phản điện động của pha không có tín hiệu (có nghĩa là pha không bị kích thích của
back-EMF). Đặc điểm chính là vùng tích hợp của các back-EMF xấp xỉ như nhau ở
mọi tốc độ. Sự tích hợp bắt đầu khi pha không bị kích thích của back-EMF qua