ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN ĐỨC DŨNG
NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
(BRUSHLESS DC MOTORS)
VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2011


Hà Nội – 2011
1 MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG 1 - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 5
1.1. Giới thiệu động cơ một chiều không chổi than (BLDC) 5
1.2. Cấu tạo của BLDC 5
1.2.1 Stator 6
1.2.2 Rotor 7
1.2.3. Hall Sensor 9
1.3. Nguyên lý hoạt động của BLDC 10
1.4. Ứng dụng 13
1.4.1. Trong giao thông 13
1.4.2 Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC 14
1.4.3 Quạt gió và quạt tản nhiệt 14
1.4.4 Thiết kế hiện đại 14
CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 16
2.1. Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC) 16
2.2. Điều khiển động cơ BLDC có sensor (sensored BLDC) 20
2.2.1. Điều khiển vòng lặp hở (opened-loop) 26
2.2.2. Điều khiển vòng lặp kín (closed-loop) 26
2.2.3. Thuật toán PID 27
CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
BLDC 29
3.1. Đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ khối xây dựng phần cứng 29
3.2. Các loại IC được sử dụng và đặc điểm của chúng 30
3.2.1. Microchip dsPIC30F2010 30

Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc
với cổ góp. Và thời gian hoạt động càng lâu thì bộ phận này sẽ bị mòn và phát
sinh tia lửa điện. Nên hạn chế của động cơ DC là phải được bảo trì thường
xuyên trong môi trường làm việc nhiều bụi, và tránh sử dụng ở những môi
trường nguy hiểm dễ xảy ra cháy nổ. Trong những trường hợp đó, động cơ DC
đã được thay thế bằng động cơ BLDC (động cơ DC không chổi than). Động cơ
BLDC có ưu điểm của động cơ DC là đặc tính cơ tốt, đáp ứng nhanh. Bên cạnh
đó động cơ BLDC có những ưu điểm nổi bậc là:
- Tuổi thọ cao (do chỉnh lưu bằng các linh kiện điện tử thay cho chổi
than).
- Vận hành êm ái (nhờ cấu tạo của động cơ).
- Làm việc được trong môi trường nguy hiểm (do không phát sinh tia
lửa điện).
Điều khiển động cơ BLDC không đơn giản như loại động cơ DC. Người
ta phải tùy thuộc vào vị trí của rotor để đưa ra lệnh điều khiển cấp điện hợp lý
cho các cuộn dây động cơ. Có rất nhiều driver điều khiển động cơ BLDC được
các nhà sản xuất cung cấp, ví dụ như: bộ driver TMCM-171 của hãng
TRINAMIC sản xuất dùng cho động cơ BLDC điện áp cấp từ 12 đến 24 V DC,
dòng chịu được có thể lên tới 20A. Các động cơ đó có công suất từ vài đến
1KW. BL300-TO của hãng TECO cũng dùng cho động cơ BLDC 12/24 V DC
nhưng công suất dưới 300W . Tuy nhiên giá thành của các bộ driver trên còn
cao. Việc xây dựng và chế tạo một driver cho động cơ BLDC là việc làm cần
thiết. Cùng với đó góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo các loại động cơ sử
dụng năng lượng điện dần thay thế các loại động cơ sử dụng xăng.
4
Trong luận văn này, bộ điều khiển sử dụng dsPIC 30F2010 của hãng
Microchip sản xuất, dsPIC 30F2010 là dòng PIC chuyên dùng để điều khiển
1.2.1 Stator
Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều
không chổi than là dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba
pha hay nhiều pha nhưng thường là dây quấn ba pha. Dây quấn ba pha có hai sơ
đồ nối dây, đó là nối theo hình sao Y hoặc hình tam giác ∆. Hình 2. Stator của động cơ một chiều không chổi than

Stator của 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 BLDC cũng giống như cấu tạo của các động cơ
cảm ứng khác. Tuy nhiên, các bối dây được phân bố theo cách khác. Hầu hết tất
cả các động cơ một chiều không chổi than có 3 cuộn dây đấu với nhau theo hình
sao hoặc hình tam giác. Mỗi một cuộn dây được cấu tạo bởi một số lượng các
bối dây nối liên với nhau. Các bối dây này được đặt trong các khe và chúng
được nối liên 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 các nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạo nên
sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động. BLDC có 2 dạng sức phản điện
động là dạng hình sin và dạng hình thang. Cũng chính vì sự khác nhau này mà
tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là BLDC hình sin và BLDC hình thang.
7

nghệ phát triển, nam châm làm từ hợp kim ngày càng phổ biến. Nam châm
Ferrite rẻ hơn nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích lại thấp. Trong khi
đó, vật liệu hợp kim có mật độ từ trên đơn vị thể tích cao và cho phép thu nhỏ
kích thước của rotor nhưng vẫn đạt được momen tương tự. Do đó, với cùng thể
tích, momen của rotor có nam châm hợp kim luôn lớn hơn rotor nam châm
Ferrite. Hình 5. Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

9
1.2.3. Hall Sensor
Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch của
động cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện từ. 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 được cấp điện theo thứ tự.
Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả mà
phụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng. Vì vậy điều
quan trọng là cần phải biết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây stator
tiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện. Vị trí của rotor được đo
bằng các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall được đặt ẩn trong stator.
Hầu hết tất cả các động cơ một chiều không chổi than đều có 3 cảm biến
Hall 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
Hall, các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực
Nam đi qua cảm biến. Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự
chuyển mạch chính xác được xác định. Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận

áp. Các cảm biến vị trí này có thể là Hall sensor, resolver hoặc cảm biến vị trí
tuyệt đối. Một hệ thống điều khiển động cơ BLDC đặc trưng với cảm biến vị trí
được biểu diễn ở hình:

Hình 6. Hệ thống điều khiển động cơ BLDC

Với 6 bước chuyển mạch. Khoảng dẫn cho mỗi pha là 120
0
bằng góc điện
tương ứng. Chuỗi chuyển mạch pha như sau AB-AC-BC-BA-CA-CB (hình)

Hình 7. Khoảng dẫn của pha A
11 Hình 8. Khoảng dẫn của pha B
Hình 9. Khoảng dẫn của pha C
12

Hình 10. Giản đồ liên quan giữa tín hiệu Hall sensor với điện
áp cấp của động cơ BLDC

bị như các ổ cứng máy tính, máy chơi nhạc CD/DVD. Các quạt tản nhiệt nhỏ
trong thiết bị điện tử là động cơ BLDC. Loại động cơ này có thể được tìm thấy
trong các dụng cụ máy không dây mà hiệu suất động cơ tăng lên dẫn tới thời
gian sử dụng trước khi thay pin để sạc dài hơn. Các động cơ BLDC tốc độ thấp,
công suất thấp được sử dụng trong mâm xoay của các đĩa audio “analog”.

1.4.1. Trong giao thông
Động cơ BLDC công suất cao được dùng trong các phương tiện (xe đạp,
xe máy) điện và các phương tiện lai (tổ hợp). Các động cơ này là các động cơ
không đồng bộ AC dùng rotor là nam châm điện vĩnh cửu.
Các hãng xe tự cân bằng Seway và xe tay ga Vectrix cũng sử dụng công
nghệ BLDC. 14
1.4.2 Mô hình xe tự cân bằng và xe điện sử dụng động cơ BLDC
Nhiều xe điện sử dụng động cơ BLDC được lắp vào máy ở xe cùng với
stator được gắn cứng vào trục và nam châm được gắn và quay cùng với bánh.
Máy xe đạp chính là động cơ. Loại xe điện này cũng có cơ cấu chuyển động với
pedal, bánh xích và xích …

1.4.3 Quạt gió và quạt tản nhiệt
Có một xu hướng trong nền công nghiệp đông lạnh và tản nhiệt là sử dụng
động cơ BLDC thay thế cho các loại động cơ AC. Lý do quan trong nhất để
chuyển sang dùng động cơ BLDC là động cơ này giảm công suất để vận hành
nó. Trong khi động cơ có cực che và động cơ khởi động bằng tụ điện là sự lựa
chọn thích hợp khi lựa chọn quạt động cơ, thì nhiều quạt hiện nay sử dụng một

đã được hỗ trợ và chuyển sang hệ thống điện công suất cao.
Xe mô hình điều khiển bằng radio, xe tải sử dụng động cơ loại có sensor
với 6 dây kết nối với cảm biến Hall cho phép phát hiện vị trí của nam châm
rotor… Và nhiều ứng dụng khác nữa của động cơ BLDC ví như trong các thiết
bị y tế, máy rút tiền ATM…
16 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

2.1. Điều khiển động cơ BLDC không có sensor (sensorless BLDC)
Brushless DC là một trong những loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh
cửu, có nam châm vĩnh cửu nằm trên rotor và sức phản điện (EMF) dạng hình
thang. Brushless DC dùng một nguồn xung cung cấp đến các pha trên stator
của động cơ, chuỗi đóng ngắt được xác định từ vị trí của rotor. Pha dòng điện
của Brushless DC, có dạng hình chữ nhật, đồng bộ với sức phản điện (EMF) tạo
ra moment xoắn không đổi tại một tốc độ không đổi. Nhờ sức phản điện (EMF)
này mà bộ điều khiển theo chế độ sensorless hoạt động chính xác.
Về cơ bản, có hai kiểu điều khiển dạng sensorless. Kiểu đầu tiên là định vị
trí bằng cách sử dụng sức phản điện từ cuộn dây (để hở) của động cơ khi đang
hoạt động, và kiểu thứ hai là ước lượng vị trí bằng cách sử dụng các thông số
motor như đầu ra dòng áp. Kiểu thứ hai mạch điều khiển cần phải có DSPs (chip
xử lý tín hiệu) để thực hiện tính toán, điều này đồng nghĩa với giá thành hệ
thống cao. Như thế mạch điện điều khiển sensorless kiểu định vị trí trục động cơ
bằng sức phản điện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Giản đồ sau cho
thấy rõ sự chuyển đổi điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC:
17

của điểm trung tính 3 pha của động cơ BLDC

Đầu ra điện áp của cuộn dây động cơ có thể đo được. Trong mạch trên
cần điểm trung tính về điện áp của motor để có được điểm qua zero của sức
phản điện EMF, từ đó sức phản điện được tham chiếu với điểm trung tính của
motor qua. Đầu ra điện áp được so sánh với điểm trung tính bằng các opamp,
sau đó có thể nhận được điểm qua zero của sức phản điện.
Đa số các trường hợp, điểm trung tính của motor thường thì không có.
Trong áp dụng thực tế, phương pháp thông dụng là xây dựng điểm “0” ảo, nơi
có giá trị điện áp tương đương điểm trung tính. Điểm “0” ảo được tạo ra bởi các
điện trở. Mạch cũng tương đối đơn giản. Mạch điểm “0” ảo tạo ra từ ba điện trở
nối chung một đầu lại với nhau và các đầu còn lại nối với các pha của động cơ
BLDC.
19

Hình 14. Mạch dò điểm zero với điểm trung tâm ảo

Bởi vì bộ điều rộng xung lái, điểm trung tính là điểm không cố định. Điện
áp của điểm đó nhảy lên và xuống. Nó tạo ra kiểu điện áp thường rất cao và
nhiễu tần số cao nữa. Vì thế chúng ta cần những bộ chia điện áp và những bộ lọc
thông thấp để làm giảm kiểu điện áp cao đó và làm phẳng nhiễu tần số cao.
20

Hình 15. Mạch dò sức điện qua điểm 0 phát triển dựa trên điểm “0” ảo

• CN Inputs
Dựa vào phân tích trên cảm biến hall có thể được nối với đầu vào
dsPIC30F2010. Khi đầu vào thay đổi trạng thái thì tạo ra một ngắt. Ngắt này
nằm trong thủ thục ngắt CN, chương trình ứng dụng người dùng đọc giá trị cảm
biến Hall và sử dụng nó để tạo ra bảng tra để điều khiển các cuộn dây động cơ
BLDC.
• Module điều chế độ rộng xung (MCPWM)
Sử dụng phương pháp trên có thể làm động cơ BLDC quay với tốc độ
full. Tuy nhiên để biến đổi tốc độ BLDC, cần cấp điện áp biến đổi cho cuộn dây
22
động cơ. Việc này có thể thực hiện được bằng cách điều chế độ rộng xung
PWM.
Ở dòng vi điều khiển dsPIC30F có tới 6 đầu ra PWM có thể điều khiển tín
hiệu PWM. Như trong hình 17, ba cuộn dây được kéo lên ON phía cao, điều
khiển ON phía thấp hoặc không điều khiển tất cả sử dụng 6 chuyển mạch, IGBT
hoặc MOSFET. Khi môt chân của cuộn dây được nối như trong ví dụ, vào phía
cao, tín hiệu PWM có thể đặt vào phía thấp driver. Điều này tương đương với
các tín hiệu PWM ở phía cao và nối phía thấp với Vss hoặc GND. Khi điều
khiển tín hiệu PWM, driver ở phía thấp được ưu dùng hơn ở phía cao.

Hình 17. Ví dụ phần cứng phương pháp điều khiển BEMF

PWM của dòng dsPIC30F còn được gọi là MCPWM. Module này được
thế kế đặc biệt cho điều khiển các ứng dụng động cơ đặc biệt.
MCPWM có thanh ghi cơ sở 16 bit PTMR (timer), timer này tăng do
người dùng định nghĩa clock tick. Người dùng cũng quy định tới tần số của
PWM bằng cách cài đặt một giá trị và load nó với các thanh ghi PTPER. PTMR