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 HỐ CƠNG 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

: PGS.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

DANH SÁCH HÌNH VẼ

4


Danh sách các bảng biểu

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

5


Danh sách các bảng biểu

6


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 khơng 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).

7


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 hố 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 tốn lớn chẳng hạn như các bài tốn
điều khiển thời gian thực. Ngồi ra, chúng cịn cho phép tối thiểu hố
các thời gian trễ trong mạch vịng 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 hồ bậc
cao gây ra trong rotor. Các dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hố
các phần tử cơng 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

8


Lời nói đầu

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
cơng nghiệp của mình để nghiên cứu điều khiển hệ truyền động
động cơ này 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 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều khơng chổi than
BLDC.
Chương 2: Mơ hình tốn 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.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm.
Do khả năng còn hạn chế nên chắc chắn đồ án của em khơng
tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của
thầy cơ và các bạn.
Em xin chân thành cảm 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 hồn thành được đồ án này.

9

Lời nói đầu

Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Trần Việt Thắng

10


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

11


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 khơng chổi than
(BLDC)
Động cơ một chiều (ĐCMC) thơng 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 khơng 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 thơng thường.

12


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

Hình 1.1. Động cơ một chiều khơng 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 các ổ đĩa quang, quạt làm mát
trong máy tính các nhân, thiết bị văn phịng (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 góp-chổi 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
lượng mặt trời. Trong đó khơng thể không nhắc đến là các hệ truyền
động xe kéo trên xe điện với công suất 3 từ vài chục đến 100kW.

13


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Trong cơng nghiệp, chúng cịn được sử dụng rộng rãi trong các hệ
điều khiển servo có cơng 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 dịng điện phần ứng.
Mặc dù người ta nói rằng đặc tính tĩnh của động cơ BLDC và
ĐCMC thơng thường hồn tồn 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 q trình biến đổi dịng điện một chiều ở đầu vào thành
dòng xoay chiều và phân bố một cách chính xác dịng 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/mơ men tuyến tính.
- Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.
- Hiệu suất cao do sử dụng rotor nam châm vĩnh cửu nên
-

khơng có tổn hao trên rotor.

Tuổi thọ cao do khơng có chuyển mạch cơ khí.
Khơng gây nhiễu khi hoạt động.
Dải tốc độ rộng.
Mật độ công suất lớn.
Vận hành nhẹ nhàng (dao động mơ men nhỏ) thậm chí ở tốc

độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác).
- Mơ men điều khiển được ở vị trí bằng khơng.
- Kết cấu gọn.
- Có thể tăng giảm tốc độ trong thời gian ngắn.

14


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

15

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


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

mạch

Đảo chiều
bằng điện tử
dựa trên
thông tin cảm
biến vị trí
Rotor

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

Hiệu suất

Cao

Trung bình

Bảo trì

Rất ít hoặc
khơng cần
bảo trì

Định kỳ

Khả năng
tản nhiệt

Tỷ số
cơng suất
ra, kích
cỡ
Đặc tính
tốc độ /
momen
Đáp ứng
động
Dải điều
chỉnh tốc
độ

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
Không phải bảo trì
chổi than, cổ góp

Trung bình,
thấp

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. Ngồi 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, khơng có
tổn hao trên rotor.

Bằng phẳng

Tương đối
bằng phẳng

Cao

Nhanh

Cao

Chậm

Thấp

BLDC khơng có ma sát ở
chổi than làm giảm
momen
Momen qn tính của
rotor BLDC thường nhỏ
hơn so với momen quán
tính của rotor động cơ
một chiều thông thường
BLDC không bị giới hạn
tốc độ về mặt cơ khí do
chổi than và cổ góp
BLDC khơng có tia lửa
điện khi vận hành do

16


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

Thấp

Cao

khơng có chổi than cổ
góp, vì vậy ít gây nhiễu
hơn

Tuổi thọ

Cao

Thấp

Do BLDC khơng 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 dịng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng. Có thể gọi đó là cơ
cấu chuyển mạch tĩnh. Để làm được 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 hốn đổi vị trí giữa phần cảm
và phần ứng, phần cảm trên rotor và phần ứng trên stator.
Cũng chính vì cấu tạo khơng 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 khơng chổi than ba pha điển hình.

Hình 1.3. Sơ đồ khối động cơ BLDC

17


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
Từ hình 1.3 ta thấy rằng động cơ một chiều khơng 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 thơng 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.

18


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

Hình 1.4. Stator động cơ BLDC

Hầu hết tất cả các động cơ một chiều khơng 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 momen của động cơ hình sin
phẳng hơn nhưng giá thành lại đắt hơn do phải có thêm các bối dây
nối liên tục, cịn động cơ hình thang lại rẻ hơn nhưng đặc tính mơ
men lại có sự nhấp nhơ vì sự thay đổi điện áp của sức phản điện
động là lớn hơn.

19


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

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 cơng 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.

Hình 1.6. Các dạng rotor động cơ BLDC

20


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than 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 mơ men tương ứng. Do đó, với cùng thể tích, mơ 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
Khơng 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 thơng rotor. Do đó vấn đề xác định
được vị trí từ thơng 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 định vị trí từ thơng rotor, ta dùng các thiết bị cảm biến sau:
-

Cảm biến Hall
Cảm biến từ trở MR (magnetoresistor sensor).
Đèn LED hoặc transistor quang.

21


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
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 dùng 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 hoặc tùy
thuộc vào số đơi 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 cơng thức:

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

22

(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 cơng 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

23


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
1.2.4. Bộ chuyển mạch điện tử
Ở động cơ một chiều khơng 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 cơng suất chuyển
mạch theo vị trí roto.
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 ≈ NlrB�

(1.2)

Trong đó: N là số vịng dây trên một pha
l là chiều dài rotor
r là bán kính trong của rotor
B là mật độ từ trƣờng rotor
� là vận tốc góc của động cơ
Trong động cơ BLDC từ trường rotor và số vịng dây stator là hằng
số ln khơng 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

24


Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC
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 lượng 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.
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 q 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 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 �.
Sơ đồ nguyên lý làm việc động cơ:

25