Cách thức hoạt động của Bộ điều khiển động cơ BLDC: Chuyển mạch, điều chỉnh xung và điều chỉnh thực tế

Nếu bạn đã từng hỏi bộ điều khiển động cơ BLDC hoạt động như thế nào thì bạn không đơn độc. Trong nhiều thập kỷ sản xuất động cơ vi mô, chúng tôi đã chứng kiến ​​nhiều động cơ được thiết kế tốt bị lỗi trên thực tế chỉ vì bộ điều khiển không được quan tâm đầy đủ. Động cơ DC không chổi than là một thành viên trong nhóm: rôto, stato, cảm biến và thiết bị điện tử, mỗi bộ phận đều cần hoạt động theo cùng một nhịp và bộ điều khiển là bộ phận giữ nhịp.

Bộ điều khiển động cơ BLDC thực sự làm gì?

Động cơ BLDC có nam châm vĩnh cửu trên rôto và một bộ cuộn dây trên stato. Không giống như động cơ chổi than, không có bộ chuyển mạch cơ khí để chuyển đổi dòng điện. Bộ điều khiển phải thực hiện công việc đó bằng điện tử và phải thực hiện vào đúng thời điểm tương ứng với vị trí rôto.

Nói một cách đơn giản, bộ điều khiển tạo ra một từ trường quay. Nó thực hiện điều này với bộ biến tần DC sang ba pha, phát hiện vị trí rôto, chuyển mạch điện tử, điều chỉnh và bảo vệ lỗi. Các chức năng này cùng nhau xác định thời gian và trình tự các xung dòng điện được gửi đến cuộn dây stato. Thời điểm đó là bản chất của cách thức hoạt động của bộ điều khiển động cơ BLDC.

Cảm biến Hall và chuyển mạch sáu bước

Cách đơn giản nhất để biết rôto đang hướng về đâu là sử dụng cảm biến Hall. Những công tắc từ nhỏ này được gắn trong động cơ và tạo ra tín hiệu logic khi nam châm rôto đi qua chúng. Ba cảm biến Hall chia một vòng điện thành sáu khu vực.

Chuyển mạch sáu bước, còn được gọi là điều khiển hình thang, là phương pháp điều khiển cổ điển. Trong mỗi bước, bộ điều khiển sẽ cấp điện cho hai trong ba giai đoạn: một giai đoạn kéo lên cao, một giai đoạn kéo xuống thấp và giai đoạn thứ ba để mở. Cứ sau 60 độ điện, bộ điều khiển sẽ chuyển sang khu vực tiếp theo dựa trên mẫu cảm biến Hall.

Bảng đơn giản này là một lời nhắc nhở thiết thực: một khi bạn hiểu bước chuyển mạch điện tử, hầu hết các vấn đề về nối dây và khởi động sẽ trở nên dễ chẩn đoán hơn.

Kiểm soát EMF ngược không cảm biến

Cảm biến Hall làm tăng thêm chi phí và yêu cầu thêm dây dẫn, vì vậy nhiều bộ điều khiển sử dụng điều khiển không có cảm biến. Bản thân động cơ tạo ra điện áp EMF ngược khi rôto quay. Bộ điều khiển đo điểm giao nhau của EMF ngược này trong pha không bị kích thích để tìm ra vị trí của rôto.

Điểm giao nhau bằng 0 thường không phải là giao hoán ngay lập tức. Trong điều khiển sáu bước, bộ điều khiển đợi khoảng 30 độ điện sau khi vượt qua điểm 0 và sau đó chuyển mạch. Góc chính xác có thể được điều chỉnh để có hiệu quả tốt hơn hoặc mô-men xoắn cao hơn.

Điều khiển không dùng cảm biến có một hạn chế nổi tiếng: ở tốc độ 0, không có EMF ngược. Bộ điều khiển trước tiên phải căn chỉnh rôto với xung điện áp cố định, sau đó tăng tốc động cơ bằng chuyển mạch định thời gian hoặc vòng lặp mở cho đến khi EMF phía sau đủ mạnh để đọc. Đối với các tải cần mô-men xoắn tối đa ở trạng thái dừng, phiên bản cảm biến Hall thường là lựa chọn tốt hơn.

Điều khiển hiện tại, thời gian chết và điều khiển dòng điện

Chuyển mạch cho bộ điều khiển biết nên kết nối pha nào, nhưng điều chế độ rộng xung cho bộ điều khiển biết mức điện áp cần áp dụng. Bằng cách cắt điện áp bus DC ở tần số cố định và thay đổi chu kỳ hoạt động, bộ điều khiển sẽ thay đổi điện áp trung bình mà cuộn dây nhìn thấy.

PLC không trực tiếp thiết lập tốc độ. Nó đặt điện áp truyền động và tốc độ động cơ cùng với tải xác định điểm vận hành cuối cùng. Đây là lý do tại sao bộ điều khiển BLDC cũng giám sát dòng điện. Nếu tải tăng, dòng điện tăng và bộ điều khiển tốt sẽ hạn chế dòng điện trước khi cuộn dây quá nóng.

Một chi tiết đặc biệt quan trọng ở tần số cao là thời gian chết. Các công tắc phía cao và phía thấp trong cùng một nhánh biến tần không bao giờ được dẫn điện cùng một lúc. Bộ điều khiển chèn một khoảng trống ngắn giữa các sự kiện chuyển mạch để ngăn dòng điện bắn qua.

Vòng điều khiển trong bộ điều khiển BLDC hiện đại

Trong một ổ đĩa hoàn chỉnh, bộ điều khiển thường chạy một số vòng lặp lồng nhau.

• Vòng hiện tại hoặc mô-men xoắn là vòng trong cùng. Nó đo dòng điện pha và điều chỉnh chu kỳ hoạt động của xung điện để tuân theo lệnh mô-men xoắn.
• Vòng lặp tốc độ so sánh tốc độ đo được với tốc độ mục tiêu và đưa ra tham chiếu mô-men xoắn.
• Vòng lặp vị trí được sử dụng trong các ứng dụng servo như robot công nghiệp . Nó cung cấp cho vòng lặp tốc độ một lỗi vị trí để sửa.
• Vòng lặp khởi động xử lý việc căn chỉnh, tăng tốc vòng lặp mở và chuyển sang hoạt động không có cảm biến vòng kín.

Các vòng này có chung một mục tiêu: giữ cho từ trường stato và từ trường rôto hoạt động cùng nhau để động cơ tạo ra mô-men xoắn trơn tru, hiệu quả.

Điều khiển hình sin và điều khiển hướng trường

Điều khiển sáu bước đơn giản và rẻ tiền nhưng nó tạo ra gợn sóng mô-men xoắn và nhiễu do dòng điện bị chuyển đổi đột ngột. Hai lựa chọn thay thế mượt mà hơn đáng được quan tâm.

Điều khiển hình sin thay đổi dần dần điện áp pha, làm cho dòng điện stato trở nên hình sin hơn. Điều khiển hướng trường, đôi khi được gọi là FOC, còn đi xa hơn: nó biến đổi dòng điện ba pha thành hai thành phần, một thành phần liên quan đến mô-men xoắn và một thành phần liên quan đến từ thông, và điều khiển chúng một cách độc lập. FOC cho khả năng vận hành rất mượt mà ở tốc độ thấp, âm thanh yên tĩnh và phản hồi động nhanh.

Đối với nhiều người quạt điện và các ứng dụng bơm, sáu bước vẫn được chấp nhận. Nhưng khi tiếng ồn hoặc hiệu suất là vấn đề quan trọng, chiến lược bộ điều khiển hiệu suất cao hơn có thể tạo ra sự khác biệt mạnh mẽ hơn bất kỳ thay đổi nào trong chính động cơ.

Kết hợp bộ điều khiển với động cơ của bạn

Ngay cả một thuật toán điều khiển hoàn hảo cũng sẽ thất bại nếu giới hạn phần cứng bị sai. Dưới đây là các thông số chính cần kiểm tra:

• Điện áp định mức và điện áp hoạt động tối đa của bộ điều khiển.
• Xếp hạng dòng điện liên tục và đỉnh điểm, bao gồm cả dòng điện dừng.
• Điện trở pha và độ tự cảm, ảnh hưởng đến tốc độ tạo ra dòng điện.
• Căn chỉnh cảm biến Hall để điều khiển dựa trên cảm biến.
• Tần sốPWM và thời gian chết, đặc biệt đối với động cơ có độ tự cảm thấp.
• Các tính năng bảo vệ như tắt quá dòng, quá nhiệt và dưới điện áp.

Theo kinh nghiệm của chúng tôi, việc chọn động cơ và bộ điều khiển làm bộ phù hợp sẽ giúp tiết kiệm hàng tuần sửa lỗi. Động cơ được thiết kế cho một loại bộ điều khiển có thể hoạt động rất khác với loại khác.

Kiểm tra thực tế và khắc phục sự cố

Khi động cơ BLDC giật, quá nóng hoặc mất đồng bộ, lỗi thường nằm ở thiết lập bộ điều khiển chứ không phải ở động cơ. Một thói quen kiểm tra ngắn sẽ giúp ích.

1. Đo điện trở DC giữa mỗi cặp dây dẫn động cơ. Ba bài đọc nên được cân bằng gần như.
2. Xoay rôto từ từ và ghi lại trình tự cảm biến Hall. Nó phải phù hợp với mô hình sáu ngành dự kiến.
3. Quan sát dòng điện pha bằng máy hiện sóng và đầu dò dòng điện. Kiểm tra dạng sóng hình thang hoặc hình sin rõ ràng.
4. Chạy động cơ không tải và sau đó chạy dưới tải. Bộ điều khiển phải giữ tốc độ mà không có dòng điện quá mức.

Nếu động cơ giật và không khởi động được, hãy kiểm tra hệ thống dây điện Hall và đoạn đường khởi động. Nếu nó mất đồng bộ hóa khi tải, hãy tìm điện áp cung cấp bị chùng xuống hoặc điều chỉnh thời gian không chính xác. Nếu nó nóng, hãy giảm giới hạn dòng điện, điều chỉnh tần số xung điện hoặc cải thiện khả năng làm mát.

Từ hội thảo của chúng tôi đến sản phẩm của bạn

Sau hơn 30 năm chế tạo động cơ vi mô, chúng tôi đã biết được rằng hoạt động của bộ điều khiển là một phần của thiết kế động cơ. Bộ điều khiển phải được lựa chọn cẩn thận như thước đo dây, cấp nam châm và hệ thống ổ trục. Khi bạn kết hợp một động cơ quấn tốt với bộ điều khiển điện tử được điều chỉnh phù hợp, bạn sẽ có được một sản phẩm có cảm giác đáng tin cậy và chạy êm.

Một ví dụ điển hình là động cơ không chổi than nhỏ gọn của chúng tôi dành cho các ứng dụng máy bay không người lái. Nó kết hợp tự nhiên với bộ điều khiển không cảm biến có thể xử lý chuyển mạch nhanh và giới hạn dòng điện chặt chẽ. Động cơ và bộ điều khiển phải giao tiếp bằng điện và chúng tôi đảm bảo rằng kết nối đó đơn giản nhất có thể.

Nếu bạn đang thiết kế máy bơm, quạt, robot hoặc công cụ, hãy nhớ rằng bộ điều khiển là bộ não của hệ thống. Hiểu cách hoạt động của bộ điều khiển động cơ BLDC sẽ giúp bạn đặt câu hỏi phù hợp, chọn động cơ phù hợp và đưa sản phẩm đáng tin cậy hơn ra thị trường.