CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.2. Giới thiệu một số linh kiện trong hệ thống
3.2.3. Động cơ BLDC và ESC
Động cơ Brushless hay còn gọi là động cơ điện một chiều không chổi than, gọi tắt là BLDC.
Động cơ BLDC có ưu điểm là tốc độ cao, momen lớn, độ bền cao, không bị mòn cổ góp và không phóng tia lửa điện gây hao tổn năng lượng như động cơ một chiều.
Cấu tạo của động cơ BLDC gồm 3 phần chính stato, roto và cảm biến Hall.
o Stator: bao gồm 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 mà ta thấy. Nếu không quan tâm tới vấn đề thiết kế, chế tạo động cơ, ta có thể bỏ qua sự phức tạp này.
Hình 3.4 Stato của động cơ BLDC
o Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác.
Hình 3.5 Rotor động cơ BLDC
o Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor.
Hình 3.6 Hall sensor trên động cơ BLDC
Cần chú ý là Hall sensor được gắn trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor. Hình vẽ sau đây hay được sử dụng trong các tài liệu về BLDC và nó tạo hiểu nhầm rằng người ta gắn Hall sensor trên rotor. Thực tế là Hall sensor được gắn trên stator. Application note AN885 của hãng Microchip đưa ra hình vẽ này và cũng giải thích rằng Hall sensor được gắn trên stator: “Hall sensors are embedded into the stationary part of the motor. Embedding the Hall sensors into the stator is a complex process because any misalignment in these Hall sensors, with respect to the rotor magnets, will generate an error in determination of the rotor position”.
Hình 3.7 Dạng sóng sức phản điện động pha và tín hiêu Hall sensor
Việc điều khiển tốc độ động cơ BLCD dựa trên nguyên tắc cấp xung tuần tự cho các cuộn dây để tạo từ trường quay thông qua bộ điều tôc ESC (Electronic Speed Contronller). Bộ ESC có chức năng như một bộ biến tần biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha có tần số thay đổi để cung cấp cho động cơ. Để đảo chiều động cơ ta chỉ cần đảo 2 trong 3 dây pha.
Hình 3.8 Bộ động cơ BLDC và ESC
ESC xác định tốc độ điều khiển dựa vào độ rộng xung của tín hiệu PWM nhận được. Dạng tín hiệu PWM này được quy chuẩn theo động cơ servo, tức là độ rộng xung trong khoảng 1-2 ms, tần số điều khiển là 50Hz.
Hình 3.9 Tín hiệu PWM điều khiển.
b) Điều khiển động cơ Brushless
Phương pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng cắt các khóa mạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor đưa về.
Sơ đồ nguyên lý mạch lực và động cơ như sau:
Hình 3.10 Nguyên lý mạch động lực điều khiển động cơ BLDC
Chế độ điều khiển này gọi là chế độ điều khiển 120 độ. Đây là chế độ điều
Ta thấy rằng, trong một thời điểm bất kì luôn luôn chỉ có 2 pha dẫn điện, do đó ta còn gọi đây là chế độ điều khiển 2 pha dẫn. Chế độ khác (3 pha dẫn) cũng chưa xét ở đây.
Dưới mỗi pha dẫn ta thấy đều có dòng điện 1 chiều và sức điện động 1 chiều, do đó động cơ BLDC có đặc tính cơ và đặc tính điều khiển giống với động cơ 1 chiều.
Chính vì thế mà động cơ này có tên gọi là “động cơ một chiều không chổi than” chứ thực ra nó là động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Trong thực tế, ta thường sử dụng cách đơn giản để điều khiển động cơ BLDC bằng bộ điều tốc ESC
ESC là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ BLDC thường được ứng dụng rất nhiều trong các mô hình máy bay với đa dạng chủng loại và công suất. Đi đôi với những động cơ BLDC công suất lớn này đồng nghĩa với ESC phải chịu được công suất lớn thường thì phân loại theo dòng chịu đựng có thể từ 10A đến 100A và dĩ nhiên giá cũng hơn cao.
Hình 3.11 Bộ điều tốc ESC dùng để điều khiển động cơ BLDC
ESC hoạt động tương tự như chuẩn PWM của RC servo, nhưng những loại ESC chuyên dụng (dùng cho multicopter) tần số hoạt động có thể lên đến 400Hz chu kỳ rút ngắn lại chỉ còn 2.5ms chứ không phải là 20ms như RC servo, và thời gian mức cao vẫn dao động từ 1ms đến 2ms tương đương với tốc độ tối thiểu và tốc độ tối đa.
Hình 3.12. Sơ đồ kết nối một ESC Thường thì ESC có 8 dây, trong đó:
- 2 dây là nguồn nuôi động cơ và mạch điều khiển. Nguồn này là nguồn công suất lớn, dòng tiêu thụ có thể lên đến trên 20A tùy loại động cơ. Bạn có thể sử dụng pin lipo, hoặc nếu không mang tính di động bạn có thể sử dụng nguồn xung (nguồn tổ ong) Ampe lớn để thử động cơ.
- 3 dây kết nối với động cơ BLDC
- 3 dây nhận tín hiệu điều khiển sử dụng như RC servo, lưu ý ở RC servo thì ta cần cung cấp nguồn để servo hoạt động nhưng ở ESC trong 3 dây này dây có ký hiệu màu đỏ (hoặc cam) sẽ cấp nguồn 5V ngược ra môi trường.