Động cơ DC không chổi than (BLDC) đang ngày càng trở nên phổ biến trong các lĩnh vực như ô tô (đặc biệt là xe điện), HVAC, công nghiệp,... vì nó không sử dụng bộ chuyển đổi cơ học trong động cơ truyền thống mà sử dụng một thiết bị điện tử giúp cải thiện độ tin cậy và độ bền của đơn vị.

Một ưu điểm khác của động cơ BLDC là nó có thể có kích thước nhỏ gọn hơn so với loại có chổi than có cùng công suất, phù hợp với các ứng dụng có không gian chật hẹp.

Tuy nhiên, nó có nhược điểm là cần điều khiển bằng điện tử để vận hành. Ví dụ, một bộ vi điều khiển sử dụng đầu vào từ các cảm biến chỉ ra vị trí của rôto là cần thiết để cấp nguồn cho cuộn dây stato vào đúng thời điểm. Thời gian chính xác cho phép kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn chính xác, cũng như đảm bảo động cơ chạy với hiệu suất cao nhất.

Bài viết này giải thích các nguyên tắc cơ bản và mô tả board mạch điều khiển động cơ không chổi than. Bài viết cũng xem xét một số mô-đun tích hợp mà nhà thiết kế có thể chọn để giảm bớt thiết kế mạch được thiết kế đặc biệt cho việc điều khiển động cơ BLDC.

I. Nguyên tắc vận hành cơ bản.

Bộ chuyển đổi điện tử động cơ BLDC liên tục cung cấp năng lượng cho các cuộn dây stato tạo ra một điện trường quay “kéo” theo rôto xung quanh nó. Các cuộc cách mạng điện tử của Nồng độ tương đương với một cuộc cách mạng cơ học, trong đó N là số cặp nam châm.

Đối với động cơ ba pha, ba cảm biến hiệu ứng Hall được nhúng vào stato để chỉ ra vị trí tương đối của stato và rôto với bộ điều khiển để nó có thể cung cấp năng lượng cho cuộn dây theo đúng trình tự và đúng thời điểm. Các cảm biến Hall thường được gắn ở đầu không lái của thiết bị.

Khi các cực từ của rôto vượt qua các cảm biến Hall, tín hiệu cao (cho một cực) hoặc thấp (đối với cực đối diện) được tạo ra. Trình tự giao hoán chính xác có thể được xác định bằng cách kết hợp các tín hiệu từ ba cảm biến.

Tất cả các động cơ điện tạo ra một điện thế do sự chuyển động của cuộn dây thông qua từ trường liên quan. Tiềm năng này được gọi là một lực điện động (EMF) và theo luật Lenz, nó tạo ra dòng điện trong cuộn dây với từ trường chống lại sự thay đổi ban đầu của từ thông. Nói một cách đơn giản hơn, điều này có nghĩa là EMF có xu hướng chống lại sự quay của động cơ và do đó được gọi là EMF ngược. Đối với một động cơ nhất định có từ thông cố định và số vòng dây, EMF tỷ lệ thuận với tốc độ góc của rôto.

Nhưng EMF ngược có thể được tận dụng trong khi bổ sung thêm lực ma sát vào động cơ. Bằng cách theo dõi EMF, một vi điều khiển có thể xác định vị trí tương đối của stato và rôto mà không cần cảm biến hiệu ứng Hall. Điều này giúp đơn giản hóa việc chế tạo động cơ, giảm chi phí cũng như loại bỏ nối dây và kết nối bổ sung với động cơ cần thiết để hỗ trợ các cảm biến. Điều này cải thiện độ tin cậy khi có bụi bẩn và độ ẩm.

Tuy nhiên, một động cơ đứng yên không tạo ra EMF ngược khiến vi điều khiển không thể xác định vị trí của các bộ phận động cơ khi khởi động. Giải pháp là khởi động động cơ theo cấu hình vòng hở cho đến khi đủ EMF được tạo ra để vi điều khiển đảm nhận giám sát động cơ. Những cái gọi là động cơ BL không cảm biến này đang trở nên phổ biến.

II. Board mạch điều khiển động cơ không chổi than.

Trong khi các động cơ không chổi than tương đối đơn giản về mặt cơ học, chúng đòi hỏi các thiết bị điện tử điều khiển tinh vi và nguồn cung cấp điện được điều chỉnh. Nhà thiết kế phải đối mặt với thách thức đối phó với hệ thống năng lượng cao ba pha đòi hỏi phải điều khiển chính xác để chạy hiệu quả.

Hình 3 thể hiện board mạch điều khiển động cơ không chổi than với các cảm biến hiệu ứng Hall. Hệ thống này cho thấy ba cuộn dây của động cơ được sắp xếp theo đội hình Y, bộ vi điều khiển Microchip PIC18F2431, bộ điều khiển bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) và bộ biến tần ba pha gồm sáu IGBT (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFE) cũng có thể được sử dụng để chuyển đổi công suất cao). Đầu ra từ vi điều khiển (được nhân đôi bởi trình điều khiển IGBT) bao gồm các tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) xác định điện áp trung bình và dòng điện trung bình đến các cuộn dây (và do đó tốc độ và mô-men xoắn của động cơ). Động cơ sử dụng ba cảm biến hiệu ứng Hall (A, B và C) để chỉ vị trí roto. Bản thân roto sử dụng hai cặp nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ thông.

Hệ thống này sử dụng một chuỗi giao dịch sáu bước cho mỗi cuộc cách mạng điện. Do động cơ có hai cặp nam châm nên cần có hai vòng quay điện để quay động cơ một lần.

Hình 4 biểu thị dòng điện trong một cách sắp xếp cuộn dây giống hệt với động cơ trong Hình 3 (lần này được dán nhãn U, V và W) cho mỗi sáu bước và Hình 5 biểu thị các đầu ra cảm biến hiệu ứng Hall và điện áp cuộn dây tiếp theo.

Một cặp cảm biến hiệu ứng Hall xác định khi vi điều khiển cấp nguồn cho cuộn dây. Trong ví dụ này, các cảm biến H1 và H2 xác định sự chuyển đổi của cuộn dây U. Khi H2 phát hiện cực nam châm N, cuộn dây U được cấp điện dương. Khi H1 phát hiện cực nam châm N, cuộn dây U được mở. Khi H2 phát hiện cuộn dây nam châm S, U bị chuyển sang âm. Khi H1 phát hiện cực nam châm S, cuộn dây U lại được mở. Tương tự, các cảm biến H2 và H3 xác định điện năng của cuộn dây V, với H1 và H3 đảm nhiệm cho cuộn dây W.

Ở mỗi bước, hai pha được bật với một dòng cấp cho động cơ và pha kia cung cấp đường hồi lưu hiện tại, pha còn lại được mở. Bộ vi điều khiển điều khiển hai trong số các công tắc trong biến tần ba pha phải được đóng lại để tạo điện dương hoặc điện âm cho hai cuộn dây đang hoạt động. Ví dụ, chuyển đổi Q1 trong Hình 3 cung cấp điện dương cho cuộn A và chuyển đổi Q2 cung cấp điện âm cho cuộn B để cung cấp đường dẫn ngược. Cuộn dây C vẫn mở.

Các nhà thiết kế có thể thử nghiệm các bộ phát triển dựa trên vi điều khiển 8 bit để thử các chế độ điều khiển trước khi cam kết thiết kế một động cơ kích thước đầy đủ. 

III. Điều khiển động cơ BLDC.

Mặc dù bộ vi điều khiển 8 bit được liên kết với biến tần ba pha là một khởi đầu tốt, nhưng nó vẫn chưa đủ cho một hệ thống điều khiển động cơ BLDC hoàn chỉnh. Để hoàn thành công việc, cần có một nguồn cung cấp năng lượng được quy định để điều khiển IGBT hoặc MOSFET. May mắn thay, công việc được thực hiện dễ dàng hơn vì một số nhà cung cấp chất bán dẫn lớn có chip điều khiển tích hợp được thiết kế đặc biệt.

Các thiết bị này thường bao gồm một bộ chuyển đổi bước xuống (để cấp nguồn cho vi điều khiển và các yêu cầu năng lượng hệ thống khác), điều khiển cổng và xử lý lỗi, cộng với một số logic điều khiển và thời gian. 

Trình điều khiển trước này hỗ trợ tối đa 2,3A chìm, 1.7 công suất dòng điện nguồn cực đại và yêu cầu một nguồn cấp điện có điện áp đầu vào từ 8 đến 60V. Thiết bị sử dụng chế độ rung tay tự động khi IGBT phía cao hoặc phía thấp hoặc MOSFE đang chuyển đổi để ngăn chặn dòng điện bắn qua.

Chất bán dẫn ON cung cấp một chip tương tự là LB11696V. Trong trường hợp này, một mạch điều khiển động cơ có công suất đầu ra (điện áp và dòng điện) mong muốn có thể được thực hiện bằng cách thêm các bóng bán dẫn rời rạc trong các mạch đầu ra. Con chip này cũng cung cấp bổ sung đầy đủ các mạch bảo vệ, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng cần phải thể hiện độ tin cậy cao. Thiết bị này được thiết kế cho các động cơ không chổi than lớn như động cơ được sử dụng trong điều hòa không khí và máy nước nóng theo yêu cầu.

IV. Tổng kết.

Động cơ BLDC cung cấp nhiều lợi thế hơn so với động cơ thông thường. Việc loại bỏ chổi than khỏi động cơ sẽ loại bỏ một bộ phận cơ học. Từ đó làm giảm hiệu quả, hao mòn hoặc có thể thất bại thảm hại. Ngoài ra, sự phát triển của nam châm đất hiếm mạnh mẽ đã cho phép việc sản xuất động cơ không chổi than BLDC có thể tạo ra công suất tương tự như loại có chổi than dù làm việc ở không gian nhỏ hơn.

Một nhược điểm dễ nhận thấy là các động cơ BLDC không giống như động cơ chổi than. Chúng yêu cầu một hệ thống điện tử để giám sát chuỗi năng lượng của cuộn dây và cung cấp các chức năng điều khiển khác. Động cơ không thể hoạt động nếu không có thiết bị điện tử.

Tuy nhiên, sự phổ biến của các thiết bị điện tử mạnh mẽ, giá thấp được thiết kế đặc biệt để điều khiển động cơ là thiết kế mạch tương đối đơn giản và không tốn kém. Trong thực tế, một động cơ BLDC có thể được thiết lập để chạy trong cấu hình cơ bản mà không cần sử dụng vi điều khiển bằng cách sử dụng một máy phát sóng hình sin hoặc pha ba pha khiêm tốn. 

Tương tự, bộ điều khiển động cơ chất bán dẫn ON MC3333 tích hợp bộ giải mã vị trí rôto trên chip, do đó không cần vi điều khiển để hoàn thành hệ thống. Thiết bị có thể được sử dụng để điều khiển động cơ BL ba pha hoặc bốn pha.

Tuy nhiên, việc sử dụng bộ vi điều khiển 8 bit (được lập trình với mã do nhà máy cung cấp hoặc phần mềm riêng của nhà phát triển) làm tăng thêm rất ít chi phí cho hệ thống điều khiển, nhưng vẫn cung cấp cho người dùng quyền kiểm soát động cơ lớn hơn để đảm bảo nó luôn vận hành với hiệu quả tối ưu. Bên cạnh đó còn cung cấp vị trí chính xác hơn, tốc độ, hoặc đầu ra mô-men xoắn.

Động cơ BL quả thật là một thiết bị ưu việt mang lại nhiều lợi ích to lớn cho con người. Để lựa chọn được động cơ chất lượng, chúng ta cần tỉ mỉ và cẩn trọng trong việc lựa chọn nhà cung cấp. Hiện nay, Uniduc tự tin có thể mang lại cho các bạn sản phẩm có chất lượng cao cùng mức giá hợp lý. Để được tư vấn chi tiết và báo giá cụ thể, xin đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi qua email, hotline hoặc để lại thông tin dưới khung bình luận.

Chúc bạn thành đạt trong công việc và hạnh phúc trong cuộc sống !

Hotline / Zalo: 0903 666 014

Website: https://uniduc.com/vi

-------------////--------------------------------------------////------------

HUMANOID ROBOT CỦA CÔNG TY UNIDUC SẢN XUẤT PHÁT TRIỂN.