a.Đặc điểm bộ điều khiển
Giống với cỏc loại động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu thụng thƣờng, động cơ BLDC cũng sử dụng nguồn điện 3 pha để tạo từ trƣờng quay. Tuy nhiờn động cơ BLDC sử dụng dũng điện một chiều đƣợc điều khiển bằng cỏc khúa cụng suất để tạo điện ỏp DC 3 pha lệch nhau 120 để hoạt động, do đú nú cú tờn gọi động cơ DC khụng chổi than. Giản đồ dũng điện ỏp một chiều ba pha và xoay chiều 3 pha nhƣ sau:
Hỡnh 2.24:Giản đồ so sỏnh dạng súng sin ba pha và DC ba pha: (a):súng sin
(b):súng DC
Động cơ BLDC hoạt động trờn nguyờn tắc xỏc định vị trớ rotor và điều khiển dũng điện phần ứng cho phự hợp với vị trớ đú. Do đú động cơ BLDC hoạt động phải cú thiết bị xỏc định vị trớ rotor nhƣ Encoder hoặc cảm biến từ trƣờng Hall. Cảm biến này sẽ gửi tớn hiệu vị trớ rotor về bộ điều khiển để đúng ngắt dũng điện DC chạy qua cỏc cuộn dõy của cỏc pha tƣơng ứng với vị trớ của rotor lỳc đú. Đõy là một trong những nhƣợc điểm về hoạt động và điều khiển của động cơ BLDC. Tuy nhiờn với nguyờn tắc hoạt động nhƣ vậy ta cú thể dễ dàng điều khiển vận tốc và vị trớ của động cơ.
Động cơ BLDC đƣợc điều khiển bằng một bộ điều khiển tƣơng ứng. Bộ điều khiển này cấu tạo giống nhƣ một bộ nghịch lƣu bap ha thụng thƣờng tuy nhiờn dũng điện ra là dũng điện khụng đổi DC. Tại một thời điểm hoạt động bộ điều khiển chỉ cho dũng điện DC chạy qua hai cuộn dõy của hai pha tƣơng ứng
với vị trớ của rotor lỳc đú. Đõy là khỏc biệt giữa động cơ BLDC với cỏc động cơ đồng bộ tƣơng ứng.
Hỡnh 2.25:Sơ đồ khúa và quỏ trỡnh đúng cắt điều khiển động cơ BLDC
Hỡnh 2.26:Giản đồ dũng điện tƣơng ứng ba pha của dõy quấn stator.
b.Cảm biến vị trớ rotor - Cảm biến Hall
Để xỏc định vị trớ rotor cú thể dựng cảm biến Hall hoặc Encoder. Cú thể đặt cỏc phần tử cảm biến bờn trong động cơ, trờn đầu trục động cơ hay dựng cảm biến bờn ngồi lắp vào trục động cơ.
Cảm biến hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) đƣợc dựng trong động cơ BLDC để xỏc định vị trớ cực nam chõm của rotor. Tớn hiệu vị trớ này là cơ sở để bộ điều khiển đúng cắt cỏc khúa cụng suất cấp dũng DC cho cuộn dõy stator tƣơng ứng. Khi đặt cảm biến Hall trong vựng từ trƣờng và cú một dũng điện DC chạy qua thỡ sẽ cú một điện ỏp sinh ra tại ngừ ra của cảm biến cú giỏ trị tớnh theo cụng thức: VH=kH IcBsin (V) Trong đú : kH là hằng số Hall (m3/C). là độ dày của chất bỏn dẫn. IC là dũng điện cấp vào. B là mật độ từ thụng. gúc lệch giữa mật độ từ thụng và bề mặt cảm biến.
Sự phõn cực suất hiện khi cảm biến quột qua cỏc nam chõm của động cơ. Theo cụng thức trờn thỡ điện ỏp VH sinh ra cú dạng tuyến tớnh thay đổi theo gúc lệch giữa cảm biến và từ trƣờng. Chỳng ta cần tớn hiệu kỹ thuật số để điều khiển cú dạng nhị phõn 1/0 do đú cả cảm biến đều đƣợc chế tạo tớch hợp trong một IC để dạng điện ỏp ra là dạng xung vuụng. Cỏc cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một gúc 120 điện hay 60 điện để xỏc định chớnh xỏc vị trớ rotor để điều khiển tƣơng ứng cỏc pha của dũng điện phần ứng stator.
Hỡnh 2.28: Đặt cảm biến Hall bờn trong động cơ.
c.Cỏc phƣơng phỏp điều khiển động cơ BLDC
Để điều khiển động cơ BLDC cú hai phƣơng phỏp chớnh: phƣơng phỏp dựng cảm biến vị trớ Hall ( hoặc Encoder) và phƣơng phỏp điều khiển khụng cảm biến (sensorless control). Trong đú ta cú hai phƣơng phỏp điều chế điện ỏp ra từ bộ điều khiển đú là điện ỏp dạng súng hỡnh thang và dạng súng hỡnh sin. Cả hai phƣơng phỏp hỡnh thang và hỡnh sin đều cú thể sử dụng cho điều khiển cú cảm biến Hall và khụng cảm biến, trong khi phƣơng phỏp khụng cảm biến chỉ dựng phƣơng phỏp điện ỏp dạng song hỡnh thang.
1. Phƣơng phỏp điều khiển bằng tớn hiệu cảm biến Hall-phƣơng phỏp 6 bƣớc. Phƣơng phỏp này đƣợc dựa trờn nguyờn lý hoạt động cơ bản của động cơ BLDC dựng tớn hiệu đƣa về từ cảm biến vị trớ rotor để làm tớn hiệu đúng ngắt dũng điện vào cỏc cuộn dõy tƣơng ứng. Giản đồ xung kớch và dũng điện đúng ngắt tƣơng ứng thể hiện trong hỡnh 2.29.
Hỡnh 2.31:Cảm biến hall gắn trờn stator.
Hỡnh 2.32:Dạng súng sức phản điện động pha,dõy và tớn hiệu đƣa về Hall sensor.
Bảng 2.1:Bảng mĩ điều khiển động cơ BLDC sắp xếp theo thứ tự cỏc pha nhƣ trong hỡnh 2.29. Pha Sensor A Sensor B Sensor C T5 C high T6 C low T3 B high T4 B low T1 A high T2 A Low 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 2 1 0 0 0 1 0 0 1 0 3 1 1 0 0 1 1 0 0 0 4 0 1 0 0 0 1 0 0 1 5 0 1 1 1 0 0 0 0 1 6 0 0 1 1 0 0 1 0 0
2. Điều khiển động cơ BLDC điện ỏp bằng cỏch điều chỉnh điện ỏp ngừ vào. Đõy là phƣơng phỏp điều khiển giống với điều khiển động cơ DC thụng thƣờng. Tốc độ động cơ đƣợc điều khiển bằng cỏch điều chỉnh điện ỏp DC cung cấp cho bộ khúa cụng suất. Điện ỏp ngừ vào đƣợc điều chỉnh sao cho tốc độ ngừ ra bỏm sỏt theo tốc độ đặt cho hệ thống. Để thay đổi chiều quay ta thay đổi cỏc khúa cụng suất sao cho dũng điện chạy qua cỏc cuộn dõy cỏc pha cú chiều ngƣợc lại. Trong phƣơng phỏp này cỏc khúa bỏn dẫn chỉ cú nhiệm vụ đúng hoặc cắt dũng điện qua nú.
3. Điều khiển bằng phƣơng phỏp PWM.
Trờn cơ sở điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng phƣơng phỏp điều chỉnh điện ỏp vào ta cú thể ỏp dụng kỹ thuật PWM để điều khiển tốc độ động cơ. Đõy cũng là phƣơng phỏp đƣợc sử dụng rộng rĩi trong điều khiển điện ỏp hiện nay. Với phƣơng phỏp này điện ỏp cung cấp cho bộ khúa cụng suất khụng đổi, tuy nhiờn điện ỏp ra khỏi bộ khúa đến động cơ thay đổi theo thuật toỏn điều khiển. Phƣơng phỏp PWM cú thể dựng cho khúa trờn, khúa dƣới hay đồng thời cả hai khúa trờn và dƣới cựng lỳc.
Hỡnh 2.33: Giản đồ xung điều khiển PWM kờnh trờn
Trong khi điều chế PWM ta cú thể điều khiển điện ỏp ra kiểu súng hỡnh thang hay kiểu súng sin, do đú phƣơng phỏp này đƣợc chia thành hai kỹ thuật:kỹ thuật điện ỏp hỡnh thang và kỹ thuật điện ỏp hỡnh sin.
Kỹ thuật điện ỏp hỡnh thang.
Đõy là kỹ thuật cơ bản trong điều khiển động cơ BLDC và cỏc IC chuyờn dựng cũng ỏp dụng kỹ thuật này để điều khiển. Kỹ thuật này chỉ đũi hỏi cỏc khúa đúng ngắt đồng bộ với cảm biến Hall theo tần số PWM nhất định.
Kỹ thuật điện ỏp hỡnh sin.
Kỹ thuật này cũn đƣợc gọi là điều khiển AC khụng chổi than (brushless AC). Kỹ thuật này làm giảm tiếng ồn cú thể nghe thấy đƣợc, giảm gợn súng mụmen do dạng súng điện ỏp và dũng điện ra ớt bị gợn súng.
Hỡnh 2.35: Giản đồ điều chế điện ỏp hỡnh sin.
4. Điều khiển động cơ BLDC khụng sử dụng cảm biến ( sensorless control). Đõy là phƣơng phỏp sử dụng cỏc ƣớc lƣợng từ thụng rotor để điều khiển cỏc khúa đúng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống. Do đú phƣơng phỏp này đƣợc goi là phƣơng phỏp điều khiển khụng cảm biến (sensorless control). Cơ sở chớnh của điều khiển khụng cảm biến đối với động cơ BLDC là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trờn cỏc pha của động cơ. Tuy nhiờn phƣơng phỏp này chỉ ỏp dụng đƣợc phƣơng phỏp điện ỏp hỡnh thang. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Về cơ bản cú hai kỹ thuật điều khiển khụng cảm biến:
Một là xỏc định vị trớ rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phƣơng phỏp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giỏ thành rẻ. Trong đề tài chỉ núi đề cập đến phƣơng phỏp này.
Hai là ƣớc lƣợng vị trớ dựng cỏc thụng số của động cơ,cỏc giỏ trị điện ỏp và dũng điện trờn động cơ. Phƣơng phỏp này đũi hỏi phải tớnh toỏn phức tạp để tớnh toỏn cỏc thụng số.Phƣơng phỏp này tớnh toỏn phức tạp, khú điều khiển, giỏ thành cao.
Phƣơng phỏp ƣớc lƣợng vị trớ rotor dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động đũi chỳng ta tạo ra một điểm trung tớnh để cú thể đo và bắt điểm qua zero của sức điện động. Điểm trung tớnh cú thể là trung tớnh hoặc trung tớnh ảo.
Điểm trung tớnh ảo trờn lý thuyết cú cựng điện thế với trung tớnh thật của cỏc cuộn dõy đấu hỡnh Y. Tuy nhiờn điểm trung tớnh khụng phải là điểm cố định. Điện ỏp của điểm trung tớnh cú thể thay đổi từ 0 đến gần điện ỏp DC của nguồn. Trong khi điều chế PWM, tớn hiệu PWM chồng chất lờn điện ỏp trung tớnh, gõy ra nhiễu rất lớn trờn tớn hiệu cảm biến. Để lấy tớn hiệu chuẩn ta cần mạch lọc nhiễu cho cảm biến, điều này gõy trỡ hoĩn khụng cần thiết cho tớn hiệu cảm biến.
Đặc biệt là lỳc động cơ khởi động tớn hiệu nhận đƣợc rất nhỏ dẫn đến điều khiển khụng chớnh xỏc. Do vậy phƣơng phỏp này chỉ ỏp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và cú đặc tớnh khởi động nhỏ.
Hỡnh 2.36:Đo điện ỏp cảm ứng bằng điểm trung tớnh. (a):điểm trung tớnh thật