Động cơ một chiều không chổi than brushless motor

Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 1

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN – BRUSHLESS DC MOTOR

I.Tổng quan về BLDC
-Động cơ Brushless DC (BLDC) đang được sử dụng ngày càng nhiều.Vì những ưu
điểm nổi bật của động cơ BLDC, tỉ số: trọng lượng/kích thước tốt, có hiệu quả gia tốc cao,
đòi hỏi ít hoặc không có bảo trì và tạo ra ít tiếng ồn hơn các động cơ brushed DC phổ biến.
-Động cơ BLDC là “động cơ một chiều không chổi than” nhưng nó thuộc nhóm động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều.
-Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là
rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu.
-Dựa vào dạng sóng của sức phản điện động trên stator ta có thể chia thành 2 loại:
-Động cơ (sóng) hình sin
-Động cơ (sóng) hình thang
-Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ khác là động cơ
sóng hình sin (PM – Permanent magnet Motor). Chính sức phản điện động có dạng hình
thang này là yếu để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall
sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), .v.v.

Hình : Sức phản điện động dạng hình thang
II.Cấu tạo của động cơ BLDC
Động cơ BLDC hiện nay có hai loại:
- Động cơ BLDC không có sensor (Hall sensor) gọi là sensorless BLDC
- Động cơ BLDC có sensor (Hall sensor) gọi là “sensor BLDC”
1. Cấu tạo động cơ sensorless BLDC:
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 2

Hình : Mặt cắt bằng của một BLDC
- Stator: bao gồm các lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây
quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha thông
thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang.


Hình : Các lá thép stator
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 3


Hình : Các lá thép được ghép với nhau

Hình 3 : Cách quấn dây trên stator của BLDC
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 4


Hình : Stator khi quấn dây hoàn thành
- Rotor: Gồm các cặp nam châm gắn cách đều nhau

Hình : Rotor và trục của động cơ

Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 5

Hình : Stator (màu xanh) và Rotor



Hình : Stator và Rotor
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 6



Hình : Sensorless BLDC hoàn chỉnh
2.Cấu tạo động cơ sensor BLDC:
- Cấu tạo của sensor BLDC cũng giống như sensorless đã trình bày ở trên nhưng phần stator
có thêm 3 sensor (Hall sensor)

Hình : Động cơ brushless có cảm biến Hall
- Nguyên lý của Hall sensor :
Hall sensor dùng để xác định từ trường sinh ra trong động cơ
Khi không có từ trường thì điện áp V = 0 và khi có từ trường qua thì V = V
H

Và được tính theo công thức V
H
= B.I
Hall sensor có 2 loại là analog và digital thì trong BLDC thường dùng digital sensor
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 7


Hình : Nguyên lý của Hall Sensor khi không có từ trường

Hình : Nguyên lý của Hall Sensor khi có từ trường

III.Nguyên lý đảo pha các cuộn dây của BLDC
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 8


Hình : Sơ đồ thể hiện sự đảo pha ở 3 đầu dây động cơ
IV.Điều khiển động cơ BLDC
1.Điều khiển động cơ sensor BLDC (động cơ có Hall sensor)
- Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC thì chúng ta đảo pha ở 3 đầu dây động cơ theo 6
trạng thái đảo pha đã nêu ở trên thì sẽ điều khiển được động cơ.Và tốc độ động cơ phụ
thuộc và tầng số đảo các pha này.Ta dùng PWM mode (Pulse Width Measurement mode)
để điều khiển tốc độ của động cơ BLDC
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 9


Hình : Chiều của 6 trạng thái đảo pha của BLDC

-Sự khác nhau giữa điều khiển có Hall sensor và không có Hall sensor là phương pháp xác
định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây trên stator.

-Với động cơ có Hall sensor thì hall sesor có nhiệm vụ nhận biết được các vị trí của từ
trường trên rotor so với các pha của cuộn dây trên stator.

Hình : 6 trạng thái của Hall sensor và 3 dây pha của BLDC
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 10

Ta sẽ dùng 2 cầu H để điều khiển đảo pha của 3 dây của động cơ BLDC

Ta sẽ điều khiển các trạng thái đóng mở của các MOSFET theo bảng dưới

Bảng trạng thái của sensor và driver

Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 11


Hình : Sơ đồ nguyên lý kết nối với PIC18Fxx31


Hình : Trạng thái xuất xung PWM trong 6 bước
Chú thích OVDCOND là thanh ghi chọn kênh PWM trong dòng PIC 18Fxx31

Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 12

2.Điều khiển động cơ sensorless BLDC (không có Hall sensor)

a.Đối với động cơ BLDC không có cảm biến thì ta phải điều khiển theo sức phản điện
ngược (Back Electromotive Force ) của dòng ba pha sinh ra trong ba dây của động cơ

-Back Electromotive Force – BEMF là gì ?
Khi động cơ chuyển động quay thì nam châm vĩnh cửu của rotor sẽ chuyển động qua các
cuộn dây đồng của stator và sinh ra điện thế trong cuộn dây đồng và đây gọi là là Back
Electromotive Force – BEMF.BEMF tỷ lệ thuận với tốc độ quay của động cơ và được quyết
định bởi hằng số điện thế K
V

BEMF được tính theo công thức BEMF= RPM/K
V
(volt)
Hằng số K
V
được cho bởi nhà sản suất động cơ

Hình : BEMF tương đương trong BLDC
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 13

-Các cách nhận biết BEMF để từ đó suy ra vị trí từ trường trên rotor so với các pha của
cuộn dây trên stator.Ở đây ta có 3 điện áp BEMF thì cũng tương ứng như tính hiệu của Hall
sensor thì từ 3 tín hiệu này ta cũng sẽ có thể xác định được 6 trạng thái của 3 dây của động
cơ BLDC như khi điều khiển với Hall sensor thì dưới đây sẽ giới thiệu 3 cách để xác định
BEMF
1.So sánh với DC bus/2

2.So sánh với điểm trung hòa ảo

3.Sử dụng các kênh ADC

Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 14



Hình : Sơ đồ nguyên lý điều khiển sensorless BLDC
b.Bộ điều tốc ESC
ESC là bộ driver cho sensorless BLDC dựa theo phương pháp BEMF


Hình : Động cơ kết nối với ESC
Khi dùng ESC để điều khiển động cơ BLDC thì ta chỉ cần cấp xung vào dây tín hiệu của
ESC thì BLDC có thể hoạt động đựơc.Và ta có thể áp dụng mode PWM vào để điều khiển
tốc độ của BLDC
Khi dùng ESC ta cần chú ý về chu kỳ và chu kỳ nhiệm vụ PWM và dòng cực đai ESC có
thể chịu được
Tín hiệu + VDC+GND của ESC
Nguồn BLDC
Động cơ không chổi than BLDC ĐH Bách Khoa Thành Phố HCM

Bùi Thanh Vinh - Cơ Điện Tử - www.codientubk.com Trang 15


Thông thường, thời gian mức thấp (mức 0) xấp xỉ 20ms,tương ứng với tần số dòng ba pha
là 50Hz. Thời gian ở mức cao (mức 1) từ 1ms đến 2ms. Nếu 1ms, động cơ khởi động,1.5ms
động cơ quay với 50% công suất, 2ms, động cơ quay với công suất cực đại.