Brushless Motor Là Gì – Câu Tạo – Phân Biệt Ưu Nhược Điểm So Với Motor Truyền Thống

March 1, 2019 9:52 am
Rate this post

Động cơ BLDC (Brushless DC) hay brushless motor mặc dù có tên là “một chiều không chổi than” nhưng nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều. Ta sẽ nói lý do tại sao nó có tên như vậy ở phần sau.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia thành 2 loại: -Động cơ (sóng) hình sin -Động cơ (sóng) hình thang

Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor). Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác như Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator), .v.v. Như nhiều người vẫn nghĩ.

Cấu tạo của động cơ BLDC

-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 2: Stator động cơ BLDC

-Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác.

Hình 3: Rotor động cơ BLDC

-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 5: Hall sensor gắn trên stator

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 họ 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.

Dạng sóng sức phản điện động pha, dây và tín hiệu đưa về từ Hall sensor:

Hình 7: Sức phản điện động pha, dây và tín hiệu Hall sensor

Điều khiển động cơ BLDC

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 8: Sơ đồ nguyên lý mạch lực

Chế độ điều khiển này gọi là chế độ điều khiển 120o. Đây là chế độ điều khiển cơ bản của BLDC, các chế độ khác tạm thời chưa xét đến.

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.

Ta xem trước hình ảnh một kết quả mô phỏng (sẽ trình bày mô phỏng ở phần sau) để thấy rõ hơn điều vừa nói:

Trên hình vẽ là quá trình khởi động, chạy không tải và sau khi đóng tải của động cơ BLDC. Ta thấy rõ ràng các pha (với các màu khác nhau) thay nhau dẫn và tính chất “một chiều” của chúng.

Để thực hiện nguyên lý điều khiển trên, cấu hình điều khiển dải trễ dòng điện (Hysteresis Current Control – HCC) được thực hiện và đó là cấu hình điều khiển kinh điển cho động cơ BLDC.

Vòng điều khiển tốc độ ở ngoài giống với động cơ một chiều. Sai số giữa tốc độ đặt và tốc độ thực được đưa vào bộ điều chỉnh tốc độ G, đầu ra của bộ điều chỉnh G là lượng đặt dòng điện Id*.

Tín hiệu Hall sensor đưa về được giải mã thành thông tin về dòng điện yêu cầu ở 3 pha Ia, Ib, Ic được kết hợp với giá trị dòng Id* qua khâu logic và đưa ra các lượng đặt dòng điện Ia*, Ib*, Ic*.

Ba khâu relay 2 trạng thái được sử dụng để đóng cắt các khóa mạch lực nhằm bơm các dòng điện này vào động cơ – phương pháp điều khiển dải trễ dòng điện.

Dòng điện trong các pha có dạng như sau:

Hình 13: Dòng điện, sức phản điện động trong nguyên lý điều khiển dải trễ

Dễ nhận thấy rằng với phương pháp điều chỉnh dòng HCC, dòng điện chuyển mạch 6 lần trong 1 chu kì. Sự chuyển mạch không lý tưởng (không tức thời, thời gian lên và xuống không bằng nhau) gây nên những hạn chế của động cơ BLDC: -Nhấp nhô moment -Quỹ đạo từ thông không tròn, khó xác định

Nhấp nhô moment (torque ripple) là điểm yếu của động cơ BLDC, một số lượng lớn các nghiên cứu về động cơ BLDC là làm sao giảm được sự nhấp nhô này.

Thông thường, quỹ đạo từ thông của động cơ phải có hình tròn, nhưng do sự chuyển mạch không lý tưởng của dòng điện nên quỹ đạo từ thông của động cơ BLDC có 6 “gai”, “bậc” trong 1 chu kì. Việc ước lượng từ thông tại các “bậc” đó là rất khó khăn, do đó rất khó điều khiển từ thông động cơ BLDC. Việc điều khiển động cơ BLDC cho đến nay đều bỏ qua việc điều khiển từ thông của nó.

Hình 14: Quỹ đạo từ thông stator không tròn với 6 “bậc” trong 1 chu kì
Như vậy là chúng ta vừa tìm hiểu xong động cơ không chổi than brushless. Chúc các bạn sáng tạo và lập trình thật vui.

Nguyên tắc hoạt động 

Các nguyên tắc đằng sau làm việc nội bộ của một động cơ brushless DC và một động cơ DC brushed là cơ bản giống nhau.  Khi cuộn dây động cơ trở nên tràn đầy sinh lực, từ trường tạm thời được tạo ra mà repels(and/or attracts) với nam châm vĩnh cửu.  Lực lượng này được chuyển thành trục xoay, cho phép các động cơ để làm việc.  Như trục xoay, dòng điện sẽ được chuyển đến bộ khác nhau của cuộn dây, việc duy trì electromotive repulsion/thu hút, buộc các cánh quạt để biến liên tục.

Các bàn chải bên trong động cơ điện được sử dụng để cung cấp hiện tại để các cuộn dây động cơ thông qua liên hệ diễn.  Động cơ Brushless đã không có những commutators thực hiện.  Trường bên trong một động cơ brushless chuyển qua một khuếch đại được kích hoạt bởi một thiết bị commutating, chẳng hạn như một bộ mã hóa quang.

Cuộn dây có trên các cánh quạt (một phần quay của motor) động cơ bàn chải và stator (một phần văn phòng phẩm của motor) động cơ brushless.

Bằng cách định vị các cuộn dây cơ ở phần động cơ điện bên ngoài văn phòng phẩm cần thiết cho bàn chải có thể được loại bỏ.

Có những gợi ý của bàn chải cơ lần đầu tiên được phát triển vào thập niên 1830, bởi Michael Faraday

Chải cơ thuận lợi:

Đơn giản hóa hệ thống dây điện: Brush động cơ có thể có dây trực tiếp đến DC quyền lực và kiểm soát có thể là đơn giản như là một chuyển đổi.

Với chi phí thấp:

Chải Motor nhược điểm:

Kém hiệu quả hơn

Điện ồn ào: hành động chuyển đổi của commutators liên tục tạo ra và phá vỡ quy nạp mạch tạo ra một thỏa thuận tuyệt vời của tiếng ồn điện và điện từ.

Tuổi thọ: Như họ đang có trong tiếp xúc thân thể vĩnh viễn với trục, Bàn chải và commutators mang ra.

Brushless Motor ưu điểm:

Tuổi thọ lâu dài: không có bàn chải để mang ra
thấp bảo trì: không có bàn chải để thay thế
Hiệu quả cao

Brushless Motor bất lợi:

Chi phí ban đầu cao: cần lộ thiết bị như thế một bộ mã hóa và một ổ đĩa hoặc bộ điều khiển

Dưới đây là một đoạn video mát mẻ của một động cơ dùng DC nhà làm.  Thông báo số arcing tại tắc sậy là lĩnh vực đang chuyển. Điều này là do sự phát hành của năng lượng tiềm ẩn, được lưu trữ trong các cuộn dây như họ đang tắt.

Mất thực sự đi vào đoạn video này là rằng các nam châm được phần Luân phiên của các nhà xây dựng động cơ.

Brusheless motor vs brush động cơ hiệu quả:

Động cơ Brushless thường có 85-90% hiệu quả trong khi chải DC cơ khoảng 75-80% hiệu quả.

Điều này khác biệt trong hiệu quả có nghĩa rằng nhiều hơn nữa tất cả sức mạnh được sử dụng bởi các động cơ trở thành lực lượng quay ít hơn bị mất như nhiệt.