Nhóm chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp điều khiển 6 bước để tiến hành điều khiển tốc động cơ. Các cuộn dây sẽ được kích từ theo thứ tự 6 bước, quyết định bởi trạng thái của cảm biến Hall. Đây là phương pháp đơn giản, đáng tin cậy, được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng của động cơ không chổi than công suất nhỏ. Phương pháp đủ đơn giản để nắm bắt và sử dụng, nhưng đồng thời cũng đem lại khả năng hoạt động ổn định cho động cơ, phù hợp với các công việc nghiên cứu và phát triển mạch điều khiển.
Việc kích từ cho các cuộn dây sẽ được thực hiện bởi các MOSFET trong mạch điều khiển, mỗi cuộn dây được kết nối với hai MOSFET, một MOSFET khi dẫn sẽ kết nối cuộn dây với cực dương của nguồn (gọi là MOSFET High Side), MOSFET còn lại khi dẫn sẽ kết nối cuộn dây với cực âm của nguồn (gọi là MOSFET Low Side).
Hình 4.13. Bố trí và kết nối các MOSFET với các cuộn dây của động cơ
4.3.1.1. Thứ tự kích từ các cuộn dây stator
Bảng dưới đây thể hiện thứ tự kích từ của các cuộn dây (cấp dương + hoặc cấp âm -) ứng với các giá trị tức thời của cảm biến Hall.
Quay chiều thuận A+ C- A+ B- C+ B- C+ A- B+ A- B+ C- Quay chiều nghịch A- C+ A- B+ C- B+ C- A+ B- A+ B- C+ Hall A 0 0 1 1 1 0 Hall B 1 1 1 0 0 0 Hall C 1 0 0 0 1 1
Bảng 4.3. Thứ tự kích từ các cuộn dây stator và giá trị tương ứng của cảm biến Hall
Ở cùng một thời điểm sẽ có hai cuộn dây được kích từ, với các giá trị khả dụng của cảm biến Hall sẽ tạo ra sáu trạng thái từ trường khác nhau, tương ứng với sáu vecto từ thông. Các vector này dẫn động cho rotor và tạo ra chuyển động quay theo nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều không chổi than. Để động cơ quay ngược chiều, các cuộn dây sẽ được đảo cực kích từ ở các giá trị của cảm biến Hall tương ứng với trạng thái kích từ khi đang quay chiều thuận.
4.3.1.2. Điều khiển tốc độ với PWM
Để điều khiển tốc độ quay của động cơ, giá trị dòng điện đi qua các cuộn dây khi được kích từ có thể được tác động, nhằm thay đổi giá trị từ thông tạo ra trong các cuộn dây. Từ thông tạo ra càng lớn, lực từ tác dụng lên rotor càng mạnh, rotor sẽ sớm đạt đến vị trí kích từ tiếp theo, từ đó tăng tốc độ quay của động cơ và ngược lại, từ thông nhỏ sẽ khiến rotor mất nhiều thời gian hơn để đạt đến vị trí kích từ tiếp theo và giảm tốc độ của động cơ.
Để thay đổi được giá trị cường độ dòng điện đặt vào cuộn dây stator, chúng tôi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation). Điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây stator sẽ được bật tắt liên tục với một tần số xác định, điện áp trung bình lúc này sẽ được tính toán dựa trên tỉ lệ thời gian điện áp được đặt vào cuộn dây và thời gian một chu kỳ của PWM, hay còn gọi là chu kỳ làm việc của PWM (duty cycle).
Hình 4.14. Nguyên lý của PWM
Các cuộn dây sẽ được luân phiên cấp điện áp dương 24V hoặc điện áp âm GND theo một trình tự nhất định dựa theo thứ tự kích từ ở Bảng 4.3. Sáu MOSFET trên mạch điều khiển động cơ sẽ thực hiện nhiệm vụ này khi được kích dẫn bởi vi điều khiển, tuy nhiên không phải MOSFET nào cũng sẽ hoạt động ở chế độ PWM khi được kích dẫn.
Có nhiều cách để thực hiện phương pháp PWM (hay còn gọi là các kiểu switching) với 2 MOSFET kết nối với 2 đầu cuộn dây. MOSFET nối dương có thể thực hiện PWM, trong khi MOSFET nối âm sẽ duy trì trạng thái dẫn (high side switching) hoặc ngược lại, MOSFET nối âm sẽ thực hiện PWM trong khi MOSFET nối dương sẽ duy trì trạng thái dẫn (low side switching), hay thậm chí cả 2 MOSFET đều sẽ thực hiện PWM (complementary switching).
Mỗi cách thực hiện đều có ứng dụng riêng và đem lại lợi ích tùy thuộc vào cấu hình phần cứng được sử dụng. Ở đồ án này chúng tôi sử dụng thực hiện PWM ở MOSFET nối dương (high side switching) đồng thời giữ trạng thái dẫn ở MOSFET nối âm, cách thực hiện này sẽ đem đến một số lợi ích như duy trì được trạng thái nối âm của cả 3 cuộn dây, hỗ trợ cho kỹ thuật boostrap cần thiết khi sử dụng MOSFET kênh N (có giá thành rẻ hơn so với MOSFET kênh P) đồng thời duy trì quán tính của dòng điện trong các cuộn dây trong quá trình hoạt động.
Hình 4.16. Cấu hình PWM ở các MOSFET mạch điều khiển