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

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN QUỐC CHIẾN

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG 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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN VĂN CHÍ

THÁI NGUN, 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

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 - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trƣờng cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển tốc độ
động cơ một chiều không chổi than” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hƣớng
dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. 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 nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2014
Học viên

Nguyễn Quốc Chiến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu
phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều khơng chổi than ” đã đƣợc
hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng 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 cịn ít, cho nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tơi đƣợc hồn thiện hơn.
Tơi 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

/>

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chƣơng 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU 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 rơto ....................................................................... 8

1.2.4

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

1.3

Ƣu điểm, nhƣợc điểm của động cơ BLDC ................................................ 10

1.3.1

Ƣu điểm ..................................................................................................... 10

1.3.2

Nhƣợc điểm................................................................................................ 10

1.4

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

1.4.1

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

1.4.2

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

Chƣơng 2

MƠ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP

2.1

Mơ hình động cơ BLDC ............................................................................ 24

2.2

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

2.3

Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................... 31

Chƣơng 3

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC KHÔN G DÙNG
CẢM BIẾN

3.1

Cấu trúc điều khiển BLDC không dùng cảm biến ..................................... 32

3.2

Khối ƣớc lƣợng vị trí rotor và tính tốn tốc độ quay ................................. 34

3.2.1

Ƣớc lƣợng back - EMF dây sử dụng bộ quan sát ..................................... 34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv

3.2.2

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

3.2.3

Ƣớc lƣợng tốc độ và vị trí của rotor .......................................................... 38

3.3

Bộ điều khiển dịng điện PWM.................................................................. 41

3.4

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

3.5

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

3.6

Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................... 48

Chƣơng 4

MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CHO BLDC

4.1

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

4.2

Cấu trúc của mơ hình ................................................................................. 52

4.3

Các thơng số của mơ hình thực nghiệm ..................................................... 53

4.4

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

4.5

Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................... 55

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

v

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

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

PI

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, thơng

Conditioning

gió và điều hịa khơng khí

(Insulated Gate Bipolar Transistor

Transistor có cực điều khiển
cách ly

MOSFEET

Metal-Oxide Semiconductor Field-

Transistor hiệu ứng trƣờng

Effect Transistor

Oxit Kim loại - Bán dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

LỜI NĨI 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 nhƣ tự động hóa các
trang thiết bị điện trong công nghiệp, trong hàng không, trong y học, trong dân
dụng, trong các phƣơng 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 ƣu điểm sau [10][11][12]:
- Đặc tính tốc độ và mơ 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 khơng có tổn hao
đồng trên rơto
- Tuổi thọ động cơ cao do khơng 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 phƣơng pháp chính: phƣơng pháp dùng cảm
biến vị trí và phƣơng pháp điều khiển không sử dụng cảm biến (sensorless control).
a. Phƣơng 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 tƣơng 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 đƣa 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 phƣơng pháp PWM.
+ Kỹ thuật điện áp hình thang.
b. Phƣơng pháp khơng sử dụng cảm biến
Đây là phƣơng pháp sử dụng các ƣớc lƣợng từ thông rotor để điều khiển các
khóa đóng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống. Do đó phƣơng pháp này đƣợc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

gọi là phƣơng pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Cơ sở chính
của điều khiển khơng 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 phƣơng pháp

này chỉ áp dụng đƣợc phƣơng 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, phƣơng pháp
này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ.
Hai là ƣớc lƣợng vị trí dùng các thông số của động cơ, các giá trị điện áp và
dòng điện trên động cơ. Phƣơng pháp này đòi hỏi phải tính tốn phức tạp để tính
tốn các thơng số. Phƣơng pháp này tính tốn phức tạp, khó điều khiển, giá thành
cao. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng 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 khơng 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 đƣợc rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác.
Do vậy phƣơng pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính
khởi động nhỏ.
Trƣớc đây đã có một số nghiên cứu cơng bố một số mơ phỏng cho sự phân
tích hoạt động của các động cơ BLDC không sử dụng bộ điều khiển, những đặc tính
của chúng đƣợc 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 rơ to và hàm chuyển đổi đƣợc thơng qua tín hiệu điện áp ra của bộ
nghịch lƣu. Kết quả thu đƣợc là các thông số về điện áp và dịng điện của bộ nghịch
lƣu. Vì vậy, nếu ta sử dụng bộ xử lý tín hiệu số sẽ rút ngắn thời gian tính tốn và có
thể trở thành một cơng 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 nƣớc 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

/>

3

phƣơng pháp có sử dụng cảm biến. Các phƣơng pháp này mang lại chất lƣợng tốt
trong dải tốc độ lớn cỡ 500 vòng/phút trở lên, tuy nhiên trong dải tốc độ chậm và rất
chậm những phƣơng pháp này không mang lại chất lƣợng 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 khơng 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 phƣơng pháp không dùng
cảm biến. Phƣơng pháp này sử dụng bộ quan sát để ƣớc lƣợng 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). Phƣơng
pháp cần phải khắc phục hiện tƣợng xác định điểm qua không ở dải tốc độ thấp
nhằm ƣớc lƣợng đƣợc 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 mơ hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp
Thiết kế bộ quan sát để ƣớc lƣợng tốc độ và vị trí của rotor
Thiết kế bộ điều khiển dịng PWM

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
Mơ phỏng bằng Matlab/Simulink
Xây dựng thực nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

-

Các kết quả đạt đƣợc trong luận văn:
+ Xây dựng đƣợc mơ hình tốn học của động cơ khơng chổi than.
+ Thiết kế đƣợc bộ quan sát để ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ của động cơ thay
cho cảm biến Hall, giải pháp ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ quay chính xác ở tốc
độ thấp.
+ Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng
luật điều khiển PI
+ Xây dựng đƣợc mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều khơng 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 phƣơng pháp điều khiển
tốc độ cho BLDC, phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp
b. Xây dựng mơ hình tốn của BLDC
c. Thiết kế bộ quan sát để ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ của động cơ
d. Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay
dùng luật điều khiển PI

e. Xây dựng đƣợc mơ hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi
than 2.5KW
Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chƣơng với bố cục nhƣ sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ BLDC
Chƣơng 2: Mơ hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp
Chƣơng 3: Điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến
Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình thực nghiệm điều khiển BLDC
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

Chƣơng 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 nhƣ 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. Ngun tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị
trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tƣơng ứng, nếu không động cơ
không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì ngun tắc điều khiển

dựa vào vị trí rotor nhƣ vậy nên động cơ BLDC địi hỏi phải có một bộ điều khiển
chun dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ.

Nam châm Rơ
to

Cuộn dây Stato

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

Động cơ BLDC là một trong những loại động cơ đã đƣợc 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 đƣợc 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 tồn của nó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

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
dịng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển
mạch tĩnh, nhƣ vậy về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ
một chiều truyền thống có sự hốn 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 nhƣ: 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
đƣợc cải thiện, chất lƣợng nam châm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phép động cơ
BLDC đƣợc chế tạo và ứng dụng nhiều hơn.
1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC
Cũng giống nhƣ động cơ đồng bộ thông thƣờng, các cuộn dây BLDC cũng
đƣợc đặt lệch nhau 1200 điện trong không gian của stato. Stato của động cơ BLDC
gồm các lá thép mỏng đƣợc xếp chặt cùng với các cuộn dây đƣợc đặt trong các khe
dọc theo mặt bên trong của stato. Kết cấu nhƣ vậy trông giống nhƣ trong động cơ
không đồng bộ. Tuy nhiên, khác với động cơ không đồng bộ, các cuộn dây trên
stato của động cơ BLDC đƣợc 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 trƣờng và cách phân bố các cuộn dây stato nhƣ vậy, động
cơ BLDC có sức điện động hình thang và tạo ra từ trƣờng phân bố đều hơn, cơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

nghệ chế tạo đơn giản hơn, rẻ tiền hơn; nhƣng đập mạch mơmen 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 đƣợc gắn trên đó theo các cách khác nhau, về cơ bản có hai phƣơng 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 đƣợc gắn trên bề mặt lõi rô to. Kết cấu này đơn giản
trong chế tạo nhƣng không chắc chắn nên thƣờng đƣợc sử dụng trong phạm vi tốc
độ trung bình và thấp.
S

N

N

S

S

N
N

S

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

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

NS

NS

S

N

N

S
SN

S

N

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

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

/>

8

1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rơto
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) đƣợc 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 cơng suất cấp dòng DC cho cuộn dây stato tƣơng ứng.
Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trƣờng và có một dịng 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
trƣờng. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân [1, 0] do
đó cả cảm biến đều đƣợc chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng
xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 1200 điện hay
600 điện để xác định chính xác vị trí rơ to để điều khiển tƣơng 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 đƣợc tạo ra là do sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng: từ trƣờng do
nam châm rô to tạo ra và từ trƣờng tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra.
Xu hƣớng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trƣờng tổng trùng nhau.
Mơmen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trƣờng vng góc với nhau.
Trong q trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha đƣợc
cấp điện, cuộn dây thứ ba không đƣợc cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ
cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trƣờng quay và làm cho rô to quay
theo. Nhƣ vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ
vào chiều quay của rơto. Thời điểm chuyển mạch dịng điện từ pha này sang pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

khác đƣợc xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mơmen do q
trình chuyển mạch dịng điện là nhỏ nhất.
Ta có mơmen đƣợc xác định bằng biểu thức:

ea ia

Te

ebib

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 đƣợc 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
đƣợc điều chỉnh để đạt biên độ khơng đổi trong khoảng có độ rộng 1200 điện. Nếu
khơng trùng pha với sức điện động thì dịng 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 đƣợc gọi là kỹ thuật điều khiển không cảm biến và sẽ
đƣợc nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau. Do có mối liên hệ giữa sức điện động cảm ứng
pha và vị trí của rơto nhƣ mô tả ở phần trên nên việc xác định thời điểm cấp điện
cho các cuộn dây cịn có thể thực hiện đƣợc bằng việc xác định vị trí của rơto nhờ
các cảm biến vị trí.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

1.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của động cơ BLDC

1.3.1 Ƣu điểm
Động cơ DC khơng chổi than BLDC có các ƣu điểm của động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu nhƣ: tỷ lệ momen/qn tính lớn, tỷ lệ cơng suất trên khối lƣợng
cao. Do máy đƣợc 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 trƣợt nên
khơng tốn chi phí bảo trì chổi than, vành trƣợt. 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 rơ to.
Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:
+ Mật độ từ thơng khe hở khơng khí lớn.
+ Tỷ lệ công suất/khối lƣợng máy điện cao.
+ Tỷ lệ momen/qn tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
+ Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để
đạt đƣợc điều khiển vị trí một cách chính xác).
+ Mơmen điều khiển đƣợc ở vị trí bằng khơng.
+ 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 Nhƣợc điểm
Do động cơ đƣợc 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 đƣợc đặt bên
trong động cơ để xác định vị trí rơ to nên tăng giá thành đầu tƣ khi sử dụng động cơ
BLDC do giá thành chế tạo nam châm vĩnh cửu cao. Do phải xác định vị trí của rơ
to nên việc điều khiển động cơ BLDC khó khăn hơn động cơ một chiều chổi than.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11

1.4 Một số phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC
Để điều khiển động cơ BLDC có hai phƣơng pháp chính: phƣơng pháp dùng
cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và phƣơng pháp điều khiển khơng cảm biến
(sensorless control). Trong đó ta có hai phƣơng 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 phƣơng
pháp hình thang và hình sin đều có thể sử dụng cho điều khiển có cảm biến Hall và
khơng cảm biến, trong khi phƣơng pháp không cảm biến chỉ dùng phƣơng pháp
điện áp dạng sóng hình thang.
1.4.1 Phƣơng pháp điều khiển sử dụng cảm biến
Một động cơ BLDC đƣợc làm việc bởi độ lệch của điện áp với vị trí rotor.
Độ lệch này phải đƣợc ứng dụng vào hoạt động bù pha của hệ thống ba cuộn dây
pha, để góc giữa từ thông stator và từ thông rotor đƣợc giữ gần 900 nhằm tạo ra tối
đa mơ men quay. Do đó, bộ điều khiển cần một số công cụ xác định hƣớng/vị trí
của rotor (tƣơng đối so với các cuộn dây stator), chẳng hạn nhƣ cảm biến hiệu ứng
Hall đƣợc gắn trong hoặc gần khe hở khơng khí của máy để phát hiện từ trƣờng của
nam châm rotor đi qua. Mỗi bộ đầu ra cảm biến cho ở mức độ cao với góc quay
1800 điện và mức thấp với góc 1800 khác. Ba bộ cảm biến đặt lệch nhau góc 600
tƣơng đối để bù đắp lẫn nhau. Bộ chia này quay một vịng thành sáu pha (mã 3-bit).

Hình 1-6

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

Quá trình chuyển đổi dịng điện chỉ chạy qua hai pha làm cho rơ to quay đi
một góc 600 đƣợc gọi là chuyển mạch điện tử. Động cơ đƣợc cung cấp từ một biến
tần ba pha và các hoạt động chuyển đổi có thể đƣợc sử dụng bộ kích xung đơn giản
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

bằng cách sử dụng tín hiệu từ cảm biến vị trí đƣợc gắn tại các điểm thích hợp xung
quanh stato. Khi đặt tại các điểm cách nhau 600 điện và trùng với các cuộn dây pha
Stato các công tắc Hall sẽ cung cấp xung kỹ thuật số mà có thể đƣợc giải mã chuyển
đổi thành chuỗi ba pha mong muốn. Một động cơ BLDC hoạt động với một biến tần
sáu bƣớc 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 nhƣ vậy thƣờng có một vòng lặp dòng điện để điều chỉnh
dòng điện stator và một vịng lặp tốc độ bên ngồi để điều khiển tốc độ. Tốc độ của
động cơ có thể đƣợc điều khiển nếu điện áp trên động cơ thay đổi, nó có thể đạt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

đƣợc dễ dàng thay đổi chế độ làm việc của tín hiệu PWM dùng để điều khiển sáu
cơng tắc của cầu ba pha. Chỉ có hai cơng 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 đƣợc 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
thay đổi mỗi góc 600 điện. Điều này phải mất sáu giai đoạn để hoàn thành một chu
kỳ. Tuy nhiên, một chu kỳ điện có thể khơng hồn tồn tƣơng ứng với một chu kỳ
cơ khí của rơ to. Số chu kỳ điện đƣợc lặp đi lặp lại để hoàn thành một vịng quay cơ
khí đƣợc xác định bởi các cặp cực rô to.
Đối với động cơ BLDC, để tiết kiệm chi phí thƣờng đƣợc sử dụng cảm biến
hiệu ứng Hall. Ngoài ra, Cảm biến điện trở (VR) hoặc cảm biến gia tốc đã đƣợc 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 Mơ hình phần tử cảm biến Hall

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

Ur

K h .I .B

(1.2)

d

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

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 đƣợc 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
dịng điện giữa các cuộn dây pha stato. Thơng thƣờng có hai cách bố trí ba cảm biến
Hall trên stato là bố trí lệch nhau 600 hoặc 1200 trong không gian. Mỗi cách bố trí
đó sẽ tạo ra các tổ hợp tín hiệu logic khác nhau khi rơto quay.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

15

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

Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dịng 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 bƣớc.
Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một q trình phức tạp và u 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 rơto. Để khắc phục điều này, một số động cơ có
thêm các nam châm phụ trên rơto để phục vụ cho việc xác định vị trí rơto. Các nam
châm phụ này đƣợc gắn nhƣ các nam châm chính nhƣng nhỏ hơn và thƣờng đƣợc
gắn trên phần trục rôto nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh.
Kết cấu nhƣ vậy giống nhƣ cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều
truyền thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

16

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 trƣờng cho điều khiển khơng cảm
biến bởi vì bản chất kích từ của nó lấy thơng tin vị trí rơ 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 khơng dẫn
thì có sức phản điện động. Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển khơng cảm biến.
Tuy nhiên, loại phổ biến nhất đƣợc dựa trên sức điện động hoặc các sức phản điện
động. Cảm biến sức phản điện động không phải của pha là phƣơng pháp có hiệu quả
nhất nhận đƣợc 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 lƣờng tại đầu cuối động cơ có tín hiệu nhiễu lớn, tín khơng thể phát hiện 0
qua tốc độ thấp. Đó là lý do tại sao tất cả sức phản điện động trong các phƣơng
pháp khơng cảm biến khi có đặc tính tốc độ thấp là giới hạn.

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

Trong sơ đồ này, mỗi pha trong ba pha khi chuyển mạch đƣợc 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 hịa 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 trƣờng không đổi sẽ đƣợc hình thành. Sau đó, đáp ứng dịng điện là
khác nhau do độ cảm ứng khác nhau, sự thay đổi này của đáp ứng dịng điện chứa
các thơng tin về vị trí rơ 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 tƣơng đƣơng và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

17

điện cảm của cuộn dây stato tƣơng ứng và e là sức phản điện động hình thang. Có
hai phƣơng pháp phát hiện back-EMF: Phƣơng pháp phát hiện back-EMF trực tiếp
và phƣơng pháp phát hiện back-EMF gián tiếp.

a. Phƣơng pháp phát hiện back-EMF điểm về 0 (Cảm biến điện áp đầu
cuối)
Cách tiếp cận điểm về 0 là một trong những phƣơng pháp đơn giản nhất của
kỹ thuật cảm biến back-EMF và đƣợc dựa trên phát hiện tức thời mà tại đó các sức
phản điện động trong pha khơng bị kích thích điểm về 0. Điểm 0 này tạo nên một bộ
đếm thời gian, có thể đơn giản nhƣ một bộ dao động RC khơng 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 hƣởng nhiều bởi những thay đổi tốc độ. Để phát hiện các ZCP, pha
back-EMF cần đƣợc theo dõi trong pha không dẫn (khi dịng điện pha riêng biệt
bằng khơng) 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 dịng điện pha điểm đảo mạch.

Ba bộ lọc thơng thấp (LPFs) đƣợc 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. Phƣơng pháp
này có xu hƣớng nhạy cảm độ nhiễu trong việc phát hiện về điểm 0, và suy giảm
hiệu suất vƣợt trên phạm vi điều chỉnh tốc độ. Một hạn chế khác là nó khơng thể sử
dụng điện áp nhiễu đầu cực để nhận đƣợc một khuân mẫu chuyển đổi mạch ở tốc độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

18

thấp từ sức phản điện động bằng 0 tại điểm dừng và tỷ lệ với tốc độ rotor. Với
phƣơng pháp này, vị trí rotor có thể đƣợc phát hiện thơng thƣờng là từ 20% tốc độ
định mức, sau đó một khoảng tốc độ giảm thƣờng đƣợc sử dụng, thƣờng là khoảng
1,000-6,000 rpm.

b. Phƣơng pháp tích hợp điện áp hài bậc ba
Phƣơng 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 đƣợc dựa trên
thực tế là trong động cơ ba nối hình Y đối xứng với sự phân bố từ thông khe hở
khơng 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 nhƣ bậc 5, 7, vv. Kết quả là
sự vƣợt trội của các thành phần sóng hài bậc ba giữ một sự dịch chuyển pha không
đổi với điện áp khe hở khơng khí cơ bản cho bất kỳ tốc độ và tải nào. Phƣơng pháp
này là không nhạy cảm với bộ lọc thông thấp, đạt đƣợc một hiệu suất cao cho một
dải tốc độ rộng. Một hiệu suất khởi động động cơ cao cũng đạt đƣợc vì sóng hài bậc
ba có thể đƣợc phát hiện ở tốc độ thấp.
c. Phƣơng 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 thơng tin vị trí có thể đƣợc 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 dịng điện chạy ngƣợc trong một pha. Trong pha này bất kỳ
tín hiệu hoạt động đƣợc đƣa đến mặt dƣơng 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 rơ 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. Phƣơng 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 khơng có tín hiệu (có nghĩa là pha khơng bị kích thích của
back-EMF). Đặc điểm chính là vùng tích hợp của các back-EMF xấp xỉ nhƣ nhau ở
mọi tốc độ. Sự tích hợp bắt đầu khi pha khơng bị kích thích của back-EMF qua
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

19

điểm khơng. Khi giá trị tích hợp đạt đến một ngƣỡng giá trị đƣợc xác định trƣớc,
tƣơng ứng với một điểm chuyển mạch, dòng điện pha đã chuyển mạch. Nếu hoạt
động từ thơng suy yếu thì sự tăng dịng điện có thể đạt đƣợc bằng cách thay đổi điện
áp ngƣỡng. Phƣơng pháp tiếp cận tích hợp ít nhạy cảm với nhiễu chuyển mạch và tự
động điều chỉnh để thay đổi tốc độ, nhƣng tốc độ hoạt động thấp kém do sự tích tụ
sai lệch và bù đắp về điện áp từ sự tích hợp.
e. Phƣơng pháp dựa trên kỹ thuật PWM
Có nhiều phƣơng pháp dựa trên hệ thống điều khiển PWM, nhƣng thích hợp
nhất thƣờng là góc 120º, loại bỏ điểm trung tính ảo, đối với tốc độ thấp, tốc độ cao
và điều khiển dòng điện trực tiếp đƣợc giải thích dƣới đây.
Kỹ thuật PWM 120° thường
Sơ đồ khối cho một động cơ BLDC ba pha, trong đó bao gồm một biến tần
ba pha và một động cơ BLDC, đƣợc thể hiện trong hình 1.11. Nó có thể đƣợc điều
khiển bằng kỹ thuật PWM cho chuyển mạch chính xác vì thế hai trong ba pha với
trạng thái đóng mạch và một pha còn lại với trạng thái hở mạch. Hơn nữa, trình tự
chuyển mạch đƣợc giữ lại theo đúng thứ tự đặt trƣớc nhƣ vậy biến tần thực hiện các
chức năng của chổi than và vành góp trong một động cơ DC thƣờng, để tạo ra một
từ trƣờng quay stato. Hình 1.13 cho thấy các dạng sóng PWM với kỹ thuật thơng
thƣờng này, trong đó có tổn thất chuyển mạch thấp ở phía biến tần với giá trị thành
phần sóng hài bậc cao đáng kể. Kết quả này dẫn đến tăng tổn thất ở phía động cơ.

Hình 1-13 Dạng sóng PWM với kỹ thuật góc 1200 thường
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>