ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
---------------o0o---------------

BÁO CÁO
THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

GVHD: Lưu Phú
SVTH:

MSSV:

Phan Văn Đức

1811981

Lê Thành Đạt

1811861

TP. HỒ CHÍ MINH, 07 THÁNG 10 NĂM 2021


Lời cảm ơn

GVHD: Lưu Phú

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trường Đại học Bách

Khoa TP. Hồ Chí Minh, các thầy cơ khoa Điện – Điện tử của trường đã tạo điều kiện
cho chúng em được thực hiện thực tập tốt nghiệp.
Trong thời gian học tập tại trường, chúng em đã thu được rất nhiều kiến thức
và bài báo cáo này là kết quả của quá trình học tập, rèn luyện và nghiên cứu dưới sự
giảng dạy của quý thầy cô. Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
thầy Lưu Phú , người đã tận tình hướng dẫn và đóng góp ý kiến trong thời gian qua,
giúp chúng em hoàn thành báo cáo một cách tốt nhất. Tuy nhiên, do kinh nghiệm
bản thân còn hạn chế cũng như kiến thức cịn hạn hẹp nên bài báo cáo khơng thể
tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những đóng góp của q
thầy cơ để chúng em tiếp thu chỉnh sửa, tích luỹ thêm nhiều kinh nghiệm cho bản
thân và sẽ hoàn thành tốt hơn ở những dự án sau này.
Cuối cùng, chúng em xin chúc quý thầy cô dồi dào sức khoẻ và thành công
trong sự nghiệp của mình. Kính chúc Thầy Lưu Phú ln có sức khoẻ tốt, đạt được
nhiều thành công trong công việc và trong cuộc sống.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 10 năm 2021.

Phan Văn Đức
Lê Thành Đạt
2


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

MỤC LỤC

3



Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA

4


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU

5


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu đề tài
Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp do
việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Cùng với sự thay đổi
của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công nghệ về tự động hố cũng có những
bước phát triển vượt bậc và trở thành ngành mũi nhọn của thế giới.

Các hệ thống tự động hoá sử dụng động cơ điện truyền thống thường được thiết kế với
những phần tử tương tự tương đối rẻ tiền. Điểm yếu của các hệ thống tuơng tự là chúng nhạy
cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và tuổi thọ của các thành phần. Một nhược điểm nữa của các
hệ thống này là khó mở rộng và nâng cấp.
Những tiến bộ gần đây trong ngành Vật liệu từ (Nam châm vĩnh cửu), ngành điện tử
công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện đại đã
ảnh hưởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động cơ một chiều
không chổi than kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất hàng hoá, thiết bị, các
bộ xử lý của thị trường cạnh tranh khắp thế giới.
Là sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, em có cơ hội
được tiếp xúc với động cơ một chiều không chổi than và nhận thấy những ứng dụng to lớn
của động cơ này trong thực tiễn nên em quyết định thực hiện đề tài thực tập cơng nghiệp của
mình để nghiên cứu điều khiển hệ truyền động động cơ này dưới sự hướng dẫn của thầy Lưu
Phú.

1.2. Nhiệm vụ đề tài
Nội dung 1: Tìm hiểu tổng quan về động cơ một chiều không chổi than BLDC, đưa ra
được cấu tạo cũng như các yếu tố về cơ và điện của loại động cơ này.
Nội dung 2: Tìm hiểu và trình bày được nguyên lý hoạt động, các đường đặc tính của
động cơ.
Nội dung 3: Tìm hiểu các phương pháp điều khiển chuyển động cũng như điều khiển tốc
độ động cơ
Nội dung 4: Thiết kế bộ điều khiển động cơ

6


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú


Chương 2: LÝ THUYẾT
2.1. Động cơ không chổi than
2.1.1. Giới thiệu về động cơ BLDC
Động cơ một chiều (ĐCMC) thơng thường có hiệu suất cao và các đặc tính của chúng
thích hợp với các truyền động servo. Tuy nhiên, ĐCMC co hạn chế lớn trong cấu tạo của
chúng là cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng
thường xun và đơi khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao có thể gây ra hiện tượng đánh lửa
gây nguy hiểm.

Hình 1: Cấu tạo động cơ có chổi than

Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng
cách thay thế chức năng của cổ góp và chổi than bởi cách chuyển mạch sử dụng thiết bị bán
dẫn (chẳng hạn như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor).
Những động cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh
cửu hay còn gọi là động cơ một chiều khơng chổi than BLDC (Brushless DC Motor). Do
khơng có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của
động cơ một chiều có vành góp thơng thường.

Hình 2: Cấu tạo động cơ không chổi than

7


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Động cơ BLDC là loại động cơ đồng bộ. Nghĩa là từ trường do stator tạo ra và từ trường

do rotor tạo ra cùng tần số. Động cơ BLDC khơng có độ trượt như trong động cơ không đồng
bộ khác. BLDC motor được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp tự động, ô tô,
máy in, tiêu dùng, y tế và thiết bị đo đạc.
So sánh động cơ chổi than và động cơ không chổi than (BLDC):
Bảng 1: So sánh động cơ chổi than và động cơ không chổi than

Động cơ chổi than

Động cơ không chổi than

Tuổi thọ

1,000 - 2,000 giờ

20,000 - 40,000 giờ

Hiệu suất

75 - 85%

>95%

Kích thước so với
cơng suất

Kích cỡ nhỏ hơn 10 - 20% so với
động cơ chổi than

Nhiễu điện từ


Có thể u cầu lọc nhiễu

Khơng đáng kể

Chống cháy nổ

Khơng

Có

u cầu điều
khiển

Khơng u cầu về điều khiển,

Bắt buộc vì điều khiển luôn hoạt

cần chỉ để điều khiển tốc độ

động để giữ động cơ chạy

Tốc độ thấp với
momen xoắn cao

Khó điều khiển

Có thể sử dụng rơto / bộ ra bên
ngồi

Sự bảo trì


Yêu cầu bảo trì thường xuyên

Yêu cầu bảo trì đơn giản do khơng
có chổi than

Qn tính rotor

Thấp hơn, giới hạn bởi chổi than

Thấp vì có nam châm trên rotor.
Điều này cải thiện đáp ứng động

Giá thành

Thấp

Cao hơn do có nam châm vĩnh cửu
dùng lõi thép ferrit, cảm biến Hall.
Bộ điều khiển

8


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

2.1.2. Cấu tạo động cơ BLDC
2.1.2.1. Stator


Hình 3: Cấu tạo Stator của động cơ BLDC

Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ một chiều không chổi
than chứa dây quấn phần ứng. Dây cuốn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay nhiều pha
nhưng thường là dây quấn ba pha.
Stator của động cơ BLDC được cấu tạo với lõi sắt là các lá thép kỹ thuật điện ghép cách
điện với nhau. Các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi phía trong của
stator tạo ra sức điện động hình thang hoặc hình sin.
+ Động cơ (sóng) hình sin

Hình 4: Sóng phản điện hình sin

9


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

+ Động cơ (sóng) hình thang

Hình 5: Sóng phản điện hình thang

Dây quấn phần ứng có thể là 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha. Nhƣng loại 3 pha đƣợc sử dụng
rộng rãi và phổ biến. Đối với dây quấn 3 pha có hai cách mắc:
+ Cách mắc hình sao
+ Cách mắc hình tam giác
Phần ứng của BLDC motor giống như của động cơ xoay chiều 3 pha. Tuy nhiên, cách
quấn dây của BLDC motor khác so với cách quấn dây của động xoay chiều 3 pha. Thơng

thường các BLDC motor có ba cuộn dây được mắc theo kiểu hình sao
2.1.2.2. Roto

Hình 6: Cấu tạo Roto của động cơ LBDC

Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cữu và các cực có thể thay đổi từ 2 – 8 và các cực
North (N), cực South (S) xen kẽ với nhau. Dựa vào mật độ từ trường yêu cầu trong rotor mà
chọn vật liệu từ thích hợp để làm rotor. Ở các động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, người ta
10


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

thường chế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng. Những nam châm truyền thống như là
nam châm ferrite, nam châm ALNiCo, được sử dụng làm nam châm vĩnh cữu. Nam châm
ferrite không đắt nhưng mật độ dòng thấp trong một đơn vị thể tích. Thì từ nữa sau thế kỷ 20
khi trình độ khoa học, kỹ thuật tiến bộ thì người ta sử dụng nam châm đất hiếm (nam châm
đất hiếm là tên gọi của các loại nam châm vĩnh cữu được làm từ các hợp chất hoặc hợp kim
của các nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp mà điển hình là hai họ nam châm đất
hiếm 2:14:1 và nam châm SmCo). Nam châm đất hiếm có mật độ từ trường cao trong một
đơn vị thể tích và rotor có khả năng nén lại hơn nữa với cùng một momen xoắn

2.2. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC
Khi điều khiển động cơ DC không chổi than, chúng ta cần thực hiện chuyển đổi động
cơ, đó là khi động cơ di chuyển từ vị trí này sang vị trí tiếp theo. Để làm được điều này, ta
cần phải biết vị trí của rơto so với stato ở đâu để có thể tạo ra một từ trường buộc rôto chuyển
động theo hướng mong muốn. Điều khiển cảm biến ngụ ý rằng bạn đang sử dụng các cảm
biến vật lý trên động cơ để xác định vị trí chính xác của rơto. Điều khiển khơng cảm biến có

nghĩa là bạn đang sử dụng các phương pháp khác để ước tính vị trí rơto mà khơng cần bất kỳ
cảm biến vật lý nào.

Hình 7: Sơ đồ điều khiển động cơ sử dụng cảm biến Hall

Cảm biến được sử dụng để xác định vị trí thực tế của rơto so với stato. Mặc dù có nhiều
loại cảm biến vị trí khác nhau, nhưng phổ biến nhất là sử dụng encoder, bộ giải góc rotor và
cảm biến hiệu ứng Hall. Tất cả những cảm biến về cơ bản đều làm cùng một việc, đó là đưa
ra một tín hiệu, đó là một chỉ báo về thời điểm chuyển đổi động cơ.

11


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Điều khiển không cảm biến nghĩa là khơng sử dụng cảm biến vị trí, vì vậy nó phải ước
tính vị trí rơto liên quan đến stato bằng cách sử dụng thông số Back-EMF để xác định vị trí
hoặc thời điểm chuyển đổi động cơ.
2.2.1. Phương pháp điều khiển động cơ sử dụng cảm biến vị trí
2.2.1.1. Cảm biến hiệu ứng Hall
BLDC motor sử dụng cảm biến vị trí hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall). Cảm biến
Hall được gắn trên stato của BLDC để phát hiện các nam châm vĩnh cửu trên roto. Khi có từ
trường từ nam châm vĩnh cửu trên roto vng góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất
bán dẫn (thanh Hall) đang có dịng điện chạy qua sẽ nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall)
sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall.
Cảm biến Hall thường được gắn trên bảng mạch in và được cố định vào nắp đậy ở đầu
không lái, lệch pha nhau 60° hay 120° độ điện.


Hình 8: Cảm biến Hall lệch pha 60°

Hình 9: Cảm biến Hall lệch pha 120°

Có 2 cách gắn cảm biến Hall cho động cơ BLDC:
•

Gắn theo số cặp cực nam châm rotor

12


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Với phương pháp này, chúng ta đặt các cảm biến Hall với độ lệch (pp: số cặp cực). Nếu
độ lệch là quá nhỏ, chúng ta có thể nhân lên số ngun lần. Ví dụ với động cơ có 11 cặp cực
(tức 22 cực), ta có độ lệch là và có thể nhân với 2, 3, 4, …thành 21,818°; 32,727°; 43,636°,
… Khi tính được độ lệch giữa các cảm biến, chúng ta sẽ đặt chúng trên các cuộn dây stator
(điều này gây ra sự không đồng bộ giữa số cực rotor và số cuộn dây) hoặc đặt chúng lên
mạch in PCB và gắn vào phần nắp động cơ. Ngoài ra, việc đặt cảm biến Hall ở bên ngồi
động cơ cũng khả thi (với động cơ có kích thước lớn), tuy nhiên phải tính tốn khoảng cách
giữa các cảm biến (theo đơn vị dài) vẫn đúng với khoảng cách theo đơn vị góc.

Hình 10: Gắn cảm biến Hall lên mạch in PCB gắn ở phần nắp động cơ

•

Gắn theo số cuộn dây stator


Tương tự việc đặt cảm biến Hall theo số cặp cực, chúng ta cũng cần phải tính tốn độ
lệch giữa các cực dựa theo số cuộn dây. Vì cuộn dây stator là đứng yên ở động cơ BLDC nên
chúng ta dễ dàng đặt cảm biến Hall lên lõi cuộn dây, hoặc ở khe giữa các cuộn dây. Khoảng
cách giữa các cảm biến được tính bằng số cuộn dây stator: (s: số cuộn dây; pp: số cặp cực; i
là số nguyên sao cho kết quả cũng là số ngun). Ví dụ ta có động cơ gồm 12 khe stator, 7
cặp cực thì khoảng cách giữa các cảm biến là . Hình dưới cho chúng ta thấy vị trí đặt cảm
biến (các chấm đỏ):

13


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 11: Vị trí cảm biến Hall của động cơ gồm 12 cuộn dây và 7 cặp cực

2.2.1.2. Encoder Optical

Hình 12: Encoder Optical

Trên trục quay của động cơ có gắn một đĩa thủy tinh trong suốt được in các vạch đối
xứng, tỏa tròn cách đều nhau. Trên vỏ ngồi của động cơ sẽ có một cảm biến quang điện, đầu
ra của cảm biến sẽ đổi trạng thái mỗi khi có ánh sáng thay đổi, đây là một dải xung ra ở kênh
A, tốc độ động cơ tỉ lệ với chu kì của xung ra.
Nếu chỉ có một pha A, ta chỉ có thể biết tốc độ quay của động cơ, để biết được chiều
quay của động cơ, ta thêm một cảm biến quang điện, đặt lệch 90 độ so với cảm biến thứ nhất
là pha B. Từ sự lệch pha giữa 2 xung A, B ta có thể xác định được chiều quay của động cơ.


14


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Như hình 8 ta thấy có 1 lỗ nhỏ ở trong đĩa quay và có 1 cặp phát- thu hồng ngoại dành
riêng cho lỗ này, đó là kênh I của encoder. Cứ mỗi vịng quay của đĩa thì lỗ nhỏ sẽ lỗ nhỏ sẽ
xuất hiện tại vị trí của cặp phát- thu hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ để đến
cảm biến quang, khi có 1 tín hiệu xuất hiện trên cảm biến như thế kênh I sẽ xuất hiện 1 xung
trong 1 vòng quay của motor.
2.2.1.3. Kỹ thuật điều khiển
Động cơ BLDC hoạt động dựa vào momen sinh ra do tương tác giữa từ trường tạo ra
bởi những cuộn dây của stato với nam châm vĩnh cửu. Một cách lí tưởng, momen lớn nhất
xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau 90° và giảm xuống khi chúng di chuyển. Do đó, bộ điều
khiển cần phải xác định được vị trí của roto, dựa trên tín hiệu cảm biến, ví dụ cảm biến Hall.

Hình 13:Vị trí đặt cảm biến Hall

Mỗi động cơ BLDC được gắn 3 cảm biến Hall lệch pha nhau 120°, và mỗi cảm biến
phát hiện từ trường từ động cơ: khi một cực của roto đi qua cảm biến Hall, nó tạo ra trạng
thái cao hoặc thấp dựa trên cực tính của roto.
Ba cảm biến đọc trạng thái rotor cùng một lúc sẽ tạo ra sáu trạng thái, được thể hiện
theo hình 17. Hình 17 cịn cho thấy thứ tự cấp nguồn cho các cuộn dây stator dựa trên vị trí
rotor.

15



Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 14: Thứ tự chuyển mạch theo tín hiệu cảm biến Hall

Dựa trên các giá trị của mỗi cảm biến Hall cho mỗi bước, bộ điều khiển tự động biết
cuộn dây pha nào nó cần để cung cấp năng lượng. Kết quả là sự hoán vị liên tục bằng cách sử
dụng cảm biến Hall. Với cảm biến Hall, vị trí động cơ được biết ngay lập tức, ngay cả khi
động cơ quay chậm hoặc dừng lại.

Hình 15: Điều khiển động cơ tại trạng thái 1, 2, 3

16


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 16: Điều khiển động cơ tại trạng thái 4, 5, 6

2.2.2. Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến
Trong những ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ (tức là không điều khiển vị trí) thì
phương pháp điều khiển khơng sử dụng cảm biến là phù hợp. Với phương pháp này, chúng ta
sẽ khơng sử dụng cảm biến để xác định vị trí rotor mà dựa vào sức phản điện động – BackEMF (đây là phương pháp điều khiển không cảm biến phổ biến nhất). Qua đó chúng ta sẽ tiết
kiệm chi phí sản xuất, giảm thiểu thể tích động cơ. Tuy nhiên back-EMF sẽ có giá trị bằng 0
khi động cơ đứng yên, hoặc tín hiệu bị nhiễu khi động cơ chuyển động ở tốc độ thấp. Do đó,
để sử dụng phương pháp này, chúng ta cần thêm phương pháp khởi động động cơ.
Tương tự như điều khiển động cơ BLDC sử dụng cảm biến Hall, điều khiển không cảm

biến cũng sử dụng vị trí roto, điều hiển bằng vi điều khiển và vận hành bằng mạch lái sử dụng
MOSFET hoặc IGBT để cấp điện tuần tự cho các cuộn dây. Ngoài ra, để điều khiển tốc độ
động cơ theo ý muốn, chúng ta sẽ sử dụng thêm phương pháp điều xung PWM ở các cơng tắc
điều khiển phía cao. Ý tưởng này được mơ tả ở hình dưới:

17


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 17: Điều khiển động cơ bằng PWM

2.2.2.1. Sức phản điện động
Trước khi đến với phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến dùng BEMF, chúng
ta cùng tìm hiểu về sức phản điện động xuất hiện trong động cơ. Khi động cơ không chổi
than thực hiện chuyển động quay, các nam châm điện sẽ tạo ra từ trường biến thiên, khi đó
sức điện động (EMF) được sinh ra ở các cuộn dây phần ứng (theo định luật cảm ứng Faraday)
chống lại từ trường ấy. Chiều của EMP cảm ứng ngược chiều với điện áp cấp nên được gọi là
Back-EMF.
Sức phản điện động phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: Vận tốc góc của rotor, từ trường
sinh ra bởi nam châm vĩnh cửu của rotor và số vòng trong mỗi cuộn dây của stator. Trong
động cơ BLDC từ trường rotor và số vòng dây stator là các thơng số khơng đổi. Chỉ có duy
nhất một thông số ảnh hưởng đến sức phản điện động là vận tốc góc hay vận tốc của rotor và
khi vận tốc tăng, sức phản điện động cũng tăng.
Khi vận hành động cơ BLDC ở tốc độ cao sẽ sinh ra đáng kể Back EMF, làm giảm sự
chênh lệch điện thế giữa các cuộn dây, do đó làm giảm dịng điện và momen xoắn. Đây được
coi là một bất lợi, nhưng đối với động cơ BLDC, việc xác định Back EMF giúp chúng ta xác
định được vị trí của roto, hỗ trợ việc điều khiển động cơ.

Để sử dụng BEMF trong điều khiển động cơ BLDC, chúng ta phải giải quyết được các
vấn đề sau:
-

Xác định điểm giao bằng không (Zero Crossing Points)
Khởi động động cơ

18


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

2.2.2.2. Back-EMF Zero Crossing Detection method (xác định điểm giao b ằng không)
Để xác định vị trí roto, chúng ta dựa vào Back EMF: khi động cơ quay, tín hiệu BEMF
trong ba cuộn dây thay đổi theo dạng sóng hình thang, lệch nhau 120° (các đường đứt nét dài
được thể hiện ở hình 21) tương tự các tín hiệu đầu ra của cảm biến Hall của một động cơ có
cấu hình tương tự.

Hình 18: Tín hiệu cảm biến Hall và back-EMF ở động cơ BLDC 3 pha

Như chúng ta thấy trên hình 21, tín hiệu BEMF khơng đồng bộ với tín hiệu của cảm
biến Hall. Tuy nhiên, chúng ta có thể đồng bộ bằng cách: xác định điểm giao tín hiệu BEMF
bằng khơng (Zero cross) ứng với mỗi pha và dời chúng đi với độ trễ 30°.
Chúng ta có 2 phương pháp xác định Zero Crossing Point (ZCP) cơ bản:
•
•

So sánh điện áp cuộn dây hở với điện áp điểm trung tính

So sánh điện áp cuộn dây hở với ½ VDC

Hai phương pháp trên được trình bày chi tiết ở phục luc.
2.2.2.3. Khởi động động cơ BLDC
Như đã trình bày ở trên, tín hiệu BEMF không thể được phát hiện khi động cơ hoạt
động ở tốc độ thấp hay ở trạng thái đứng yên nên chúng ta khơng biết được vị trí Rotor để
cấp điện cho các cuộn dây Stator. Chính vì lý do đó, cần có một bộ khởi động động cơ.
19


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Có ba phương pháp chính để khởi động động cơ BLDC:
-

Đặt vào động cơ một điện áp nhất định, ép buộc Rotor quay theo tốc độ định
sẵn. Với phương pháp này, chúng ta sẽ đặt một tốc độ chuyển mạch các cuộn
dây Stator trong một thời gian định sẵn hoặc cho đến khi Rotor quay theo tốc độ
mà chúng ta đặt ra. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ gây ra những tiếng ồn, rung
động của động cơ, động cơ có thể quay ngược chiều và tất nhiên, hiệu suất

-

không cao.
Khởi động bằng tốc độ thấp: Thay ép buộc động cơ quay ở một tốc độ cố định
như phương pháp trên, chúng ta có thể bắt đầu bằng việc đưa vào động cơ một
tốc độ chuyển mạch thấp và tăng dần tốc độ lên. Với phương pháp này, động cơ
sẽ giảm được tiếng ồn và sự rung lắc. Tuy nhiên phương pháp này vẫn gặp phải


-

trường hợp động cơ quay ngược chiều lúc khởi động.
Phương pháp thứ ba chính là xác định vị trí Roto mà khơng cần sự chuyển động
của nó. Phương pháp này tương tự việc sử dụng cảm biến Hall để xác định vị trí
Rotor. Sau khi xác định được vị trí Rotor, chúng ta sẽ khởi động bằng việc
chuyển mạch các cuộn dây Stator.

2.2.3. Các chế độ hoạt động của động cơ BLDC
2.2.3.1. Chế độ đồng bộ
Các hình dưới đây sẽ mơ tả hoạt động của BLDC ở chế độ đồng bộ.
Giả sử ban đầu ta kích PWM ở MOSFET HA và kích đóng MOSFET LC như hình dưới.
Khi PWM ở mức cao chiều dòng điện chạy từ HA đến LC, điện áp ở OUT A (+) và điện áp ở
OUT C (-).

Hình 19: Dịng điện qua mạch điều khiển khi PWM ở mức cao

20


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Ở chu kì PWM ở mức thấp OUT A (-) và OUTC (+) vì vậy sẽ có 1 dịng phụ qua diode
ở LA như hình 2 để giữ chiều dịng điện khơng đổi việc này sẽ dẫn đến tổn hao cơng suất qua
diode (hình dưới).

Hình 20: Dòng điện qua mạch điều khiển khi PWM ở mức thấp


Điều này ta có thể khắc phục bằng cách bật LA để giảm tổn hao cơng suất trên diode.

Hình 21: Bật MOSFET phía thấp khi PWM ở mức thấp

2.2.3.2. Chế độ bất đồng bộ
Tuy nhiên trong trường hợp chu kỳ nhiệm vụ của PWM nhỏ hơn 50%, sau dòng điện
trên tụ xả hết, lúc này chỉ còn sức phản điện động Back EMF. Sức phản điện động có chiều
dịng điện chống lại nguyên nhân sinh ra nó, tức là có chiều từ LC về LA. Như vậy, điều này
sẽ làm giảm momen động cơ, nặng hơn sẽ làm đảo ngược chiều quay của động cơ, gây gãy
trục động cơ.

21


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 22: Dịng điện ngược qua mạch điều khiển động cơ

Vấn đề sinh ra dòng ngược có thể khắc phục bằng hai phương pháp:
-

Tiếp tục sử dụng phương pháp điều khiển đồng bộ, tuy nhiên phải điều khiển
chu kỳ nhiệm vụ PWM lớn hơn 50% để sức phản điện động BEMF bị triệt tiêu

-

trong suốt chu kỳ.

Phương pháp thứ hai là áp dụng điều khiển bất đồng bộ: phương pháp này vẫn
sử dụng PWM bổ sung (complementary PWM signals) ở MOSFET phía thấp.
Tuy nhiên, trong quá trình động cơ hoạt động chúng ta sẽ cảm biến dòng điện
gần về 0, chúng ta sẽ tắt PWM bổ sung để mạch điện hở, khơng cịn dịng điện
đi qua LC tới LA.

2.2.4. Linh kiện hỗ trợ điều khiển động cơ
2.2.4.1. MOSFET
MOSFET là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông
thường mà ta đã biết: MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo
ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín
hiệu yếu.
MOSFET đóng cắt nhanh hơn BJT và được sử dụng trong các bộ biến đổi vận hành với
tần số cao đến 100kHz và hơn nữa. Ngồi ra, MOSFET có cấu trúc diode ngược ký sinh (do
cấu trúc bán dẫn), đơi khi có lợi cho một số ứng dụng.
Có hai loại MOSFET là loại kênh N và loại kênh P.

22


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 23: MOSFET kênh N và kênh P

Nguyên lý hoạt động của MOSFET:
-


Khi điện áp UGS=0 thì điện trở RDS rất lớn, MOSFET khơng dẫn.
Khi điện áp UGS>0, do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở R DS giảm, MOSFET
cho dòng điện dẫn từ cực D xuống S. Điện áp U GS càng lớn thì điện trở RDS càng

-

nhỏ.
Với khả năng đóng cắt nhanh, MOSFET thường được sử dụng trong các bộ
nguồn xung hoặc mạch điều khiển cao áp.

2.2.4.2. Driver IR2110
Do thời gian khóa của Mosfet bị kéo dài và quá tải có thể bị kéo ra khỏi chế dộ bão hòa,
tổn thất trên phần tử tăng vọt, gây pha hỏng phần tử. Chính vì vậy driver cho MOSFET
thường là các mạch lái (hybrid) - tức là một driver thường kết hợp các mạch bảo vệ quá tải.
Đặc biệt, những driver cho Mosfet công nghiệp là những mạch ghép phức tạp để đảm bảo an
toàn cho van bán dẫn trong mọi chế độ làm việc.
MOSFET sử dụng trong các mạch nghịch lưu có tần số đóng cắt. Sự cố thường xảy ra
nhất là quá dịng ngắn mạch từ phía tải hoặc từ phía phần tử đóng cắt. Vì vậy, để điều khiển
cho MOSFET ta dùng IC IR2110.

23


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú

Hình 24: Sơ đồ mạch lái IR2110

2.2.4.3. Tụ Bootstrap

•

Sơ đồ nguyên lý mạch sử dụng tụ bootstrap:

Hình 25: Mạch bootstrap

Việc cấp nguồn cho mạch kích khóa tầng dưới như hình 15 là bình thường vì chân S của
Mosfet nối với GND. Tuy nhiên vấn đề khó khăn khi kích khóa nguồn mạch tầng trên bởi vì
điện áp cực S của Mosfet tầng trên khơng cố định mà thay đổi liên tục từ -V DC đến +VDC. Giải
quyết vấn đề này có 2 cách. Một là tạo nguồn riêng (cách ly) cho mạch kích tầng trên, hai là
sử dụng kỹ thuật bootstrap.
•

Tính giá trị tụ bootstrap

Năng lượng tối thiểu của tụ CBS để cung cấp cho mạch
(1)
Trong đó tHon là thời gian tối đa khóa trên đóng

24


Thực tập tốt nghiệp

GVHD: Lưu Phú
(2)

Tuy nhiên ta có thể tính gần đúng bằng cách bỏ qua các đại lượng ít ảnh hưởng đến kết
quả tính Và gấp đôi Qg để đảm bảo năng lượng cho bất kì khóa nào. Khi đó cơng thức được
rút gọn là:

(3)
Khi tụ cấp năng lượng cho các phần tử nói trên thì điện áp tụ sẽ sụt dần ta gọi Vmin là
điện áp trên tụ VBS tối thiểu để mạch hoạt động khi đó độ thay đổi điện áp trên tụ trong lúc
khóa tầng cao đóng là:
(4)
Như vậy, để đảm bảo tụ hoạt động ổn định, giá trị nạp tụ phải được gấp đôi giá trị trên. Điện
dung tối thiểu của tụ bootstrap được tính:
(5)
Theo khuyến cáo của hãng giá trị tụ bootstrap nên lấy gấp 15 lần giá trị tối thiểu trên
(6)
Ta tính giá trị tụ bootstrap cho IC driver IR2110 kích mosfet IRF3205N
VF = 0.5 V
VGS min=9.4V (Điện áp nhỏ nhất giữa VB và VS)
IQBS = 500 µA
tHon = 1/1000 Hz =
VCC = 12 V
Qg = 146 nC
Qls = 5 nC
=0.8xF
CBS =15.CBSmin=10µF

25