Bộ điều khiển động cơ BLDC hoạt động như thế nào? Mẹo về chuyển mạch, chuyển mạch và lựa chọn

Khi động cơ làm mát không khí BLDC rôto bên ngoài được cấp nguồn 220V DC quay, bạn sẽ không nghe thấy tiếng cổ góp kêu tách hoặc nhìn thấy bụi chổi. Rôto quay trơn tru và tốc độ của nó được điều chỉnh bởi một mạch điện tử nhỏ gọn nằm ở đâu đó bên trong thiết bị. Mạch đó là bộ điều khiển động cơ BLDC. Công việc của nó nghe có vẻ đơn giản: biến nguồn DC thành dòng điện ba pha chuyển đổi tuần tự và biết chính xác khi nào cần chuyển đổi chúng. Kết quả là một động cơ tự đồng bộ chạy theo từ trường stato mà không có tiếp điểm cơ học. Chất lượng của bộ điều khiển đó quyết định liệu động cơ có chạy êm, hiệu quả và trong nhiều năm mà không bị quá nóng hay không.

Bộ điều khiển động cơ BLDC thực sự làm được những gì

Bộ điều khiển động cơ BLDC thực hiện ba chức năng chính: khởi động động cơ, điều chỉnh tốc độ và điều khiển mô-men xoắn. Nó chấp nhận lệnh của người dùng, chẳng hạn như tốc độ hoặc mô-men xoắn mục tiêu, phát hiện vị trí rôto và cấp điện cho trình tự cuộn dây chính xác vào đúng thời điểm. Vì hướng và độ lớn của dòng điện trong ba cuộn dây stato quyết định cách rôto nam châm vĩnh cửu chuyển động nên bộ điều khiển phải biết cuộn dây nào sẽ cấp nguồn và khi nào cần thay đổi nó.

Đối với động cơ BLDC ba pha, stato có ba cuộn dây cách nhau 120 độ. Rôto mang nam châm vĩnh cửu. Bộ điều khiển tạo ra một từ trường quay đuổi theo các cực của rôto. Khi rôto di chuyển, bộ điều khiển sẽ tiến hành trình tự chuyển mạch để từ trường tiếp tục kéo rôto về phía trước. Trong động cơ DC có chổi than, bộ chuyển mạch cơ khí và chổi than thực hiện việc chuyển mạch này. Trong động cơ BLDC, bộ điều khiển thực hiện việc đó bằng điện tử, đó là lý do tại sao nó thường được gọi là chuyển mạch điện tử.

Các thành phần cốt lõi của bộ điều khiển động cơ BLDC

Mỗi bộ điều khiển BLDC, từ trình điều khiển quạt đơn giản đến bộ khuếch đại servo, đều bao gồm một số khối thiết yếu. Mỗi khối phải hoạt động cùng nhau trong vòng micro giây:

• Bộ vi điều khiển hoặc DSP: thực thi thuật toán chuyển mạch, tính toán chu kỳ nhiệm vụ củaPWM và quản lý các tình trạng lỗi.
• Trình điều khiển cổng: chuyển đổi tín hiệu logic điện áp thấp từ bộ vi điều khiển thành điện áp cổng cao áp để bật và tắt công tắc nguồn.
• Giai đoạn nguồn (MOSFET hoặc IGBT): tạo thành cầu biến tần ba pha chuyển đổi dòng điện động cơ chính.
• Cảm biến vị trí: Cảm biến hiệu ứng Hall, bộ mã hóa hoặc mạch phát hiện BEMF cho bộ điều khiển biết vị trí của rôto.
• Cảm biến dòng điện: đo dòng điện pha để kiểm soát mô-men xoắn và bảo vệ quá dòng.
• Nguồn điện: cung cấp điện áp DC sạch cho mạch điều khiển và cảm biến.

Toàn bộ tổ hợp này tạo thành một vòng khép kín thời gian thực. Bộ vi điều khiển đọc vị trí rôto và phản hồi hiện tại nhiều lần trong một giây và cập nhật trạng thái chuyển mạch tiếp theo. Nếu không có phản hồi vị trí hoặc dòng điện, bộ điều khiển chỉ có thể chạy ở chế độ vòng hở, dẫn đến hiệu quả kém, chuyển mạch bị lỡ và có thể gây hư hỏng.

Cách phát hiện vị trí rôto

Phát hiện vị trí rôto là nền tảng của điều khiển BLDC. Bộ điều khiển phải biết rôto nam châm ở đâu trước khi có thể chuyển pha tiếp theo. Có hai phương pháp chính.

Việc đầu tiên sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall. Ba cảm biến Hall được đặt cách nhau 120 độ điện trên stato. Khi các cực rôto quét qua chúng, các cảm biến tạo ra các mẫu cao/thấp kỹ thuật số cho bộ vi điều khiển biết rôto hiện đang ở khu vực nào trong sáu khu vực. Phương pháp này đơn giản, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp chi phí thấp. Nhược điểm là có thêm dây cảm biến và độ nhạy với nhiệt độ và nhiễu từ.

Phương pháp thứ hai là điều khiển không cần cảm biến. Nó phát hiện điểm giao nhau bằng 0 của suất điện động ngược (BEMF) trong cuộn dây pha không được cấp điện. Khi rôto quay, mỗi cuộn dây sẽ tạo ra một EMF cảm ứng. Điểm mà EMF này thay đổi cực tính cho biết sự căn chỉnh rôto đã biết. Bằng cách cảm nhận các giao điểm bằng 0 đó, bộ điều khiển có thể tính toán điểm giao hoán tiếp theo. Điều khiển không cảm biến giúp tiết kiệm chi phí đi dây và linh kiện, nhưng ở tốc độ rất thấp BEMF quá yếu để đo, do đó, động cơ cần có quy trình khởi động để quay nó trước khi chuyển sang vận hành vòng kín.

Đối với quạt và thiết bị làm mát, bao gồm cả động cơ làm mát không khí BLDC rôto bên ngoài, tốc độ vận hành thường đủ cao để điều khiển không cần cảm biến. Tuy nhiên, các ứng dụng yêu cầu định vị chính xác ở tốc độ thấp sẽ thích cảm biến Hall hơn.

Chuyển đổi: Sáu bước và FOC

Khi đã biết vị trí rôto, bộ điều khiển sẽ quyết định áp dụng kiểu chuyển mạch nào. Phương pháp cơ bản nhất là chuyển mạch sáu bước, còn được gọi là chuyển mạch hình thang hoặc khối. Nó chia mỗi chu kỳ điện thành sáu phần. Trong mỗi khu vực, hai cuộn dây được cấp điện trong khi cuộn thứ ba được để nổi. Dòng điện chạy qua một cuộn dây vào tâm và ra khỏi cuộn dây kia, tạo ra một vectơ từ tính tiến lên theo từng bước. Cách tiếp cận này dễ thực hiện trong bộ vi điều khiển và sử dụng logic cảm biến Hall đơn giản.

Hạn chế là dạng sóng dòng điện có dạng hình chữ nhật, tạo ra gợn sóng mô-men xoắn. Ở tốc độ thấp hơn, gợn sóng có thể chuyển thành tiếng ồn có thể nghe được và rung động cơ học.

Điều khiển theo hướng trường, hay FOC, tiên tiến hơn. Nó biến đổi dòng điện ba pha thành một hệ tọa độ quay d-q, trong đó trục d thẳng hàng với từ thông rôto và trục q điều khiển mô-men xoắn. Bằng cách điều chỉnh dòng điện trong hệ quy chiếu này, động cơ hoạt động giống như một máy điện một chiều kích từ độc lập. FOC tạo ra dòng điện có pha gần như hình sin, mang lại mô-men xoắn mượt mà trên toàn bộ dải tốc độ. Chi phí là nỗ lực tính toán cao hơn, bộ vi điều khiển nhanh và cảm biến dòng điện phức tạp hơn.

Đối với động cơ làm mát không khí BLDC rôto lớn bên ngoài, sáu bước thường là đủ. Nhưng khi mục tiêu thiết kế là độ ồn thấp và dải tốc độ rộng, bộ điều khiển FOC sẽ trở thành lựa chọn tốt hơn, đặc biệt ở mức công suất cao hơn.

Động cơ BLDC cánh quạt ngoài DC198 220V 1500W cho máy làm mát không khí Động cơ không chổi than công suất cao này được chế tạo cho các máy làm mát bay hơi hạng nặng, có cuộn dây bằng đồng nguyên chất, mức bảo vệ IP54 và lớp cách nhiệt loại F để vận hành đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Xem sản phẩm →

Điều khiển dòng điện và mô-men xoắn

Sau khi chọn được trình tự chuyển mạch, bộ điều khiển phải điều chỉnh điện áp và dòng điện. Hầu hết các bộ điều khiển sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM). TrongPWM, các công tắc nguồn được bật và tắt ở tần số cố định, thường nằm trong khoảng từ 10 kHz đến 30 kHz. Bằng cách thay đổi tỷ lệ thời gian hoặc chu kỳ làm việc, bộ điều khiển sẽ đặt điện áp trung bình cấp vào cuộn dây. Chu kỳ hoạt động 50% có nghĩa là công tắc bật một nửa thời gian trong mỗi chu kỳ xung điện, mang lại khoảng một nửa điện áp bus.

Để điều khiển mô-men xoắn, dòng điện là biến quan trọng hơn. Trong động cơ BLDC, mô men xoắn sinh ra tỷ lệ thuận với dòng điện pha, ít nhất là dưới mức bão hòa từ. Bộ điều khiển đo dòng điện bằng điện trở shunt hoặc máy biến dòng, so sánh nó với giá trị tham chiếu và điều chỉnh chu kỳ hoạt động của CPU để buộc dòng điện thực tế tuân theo giá trị tham chiếu. Đây là một vòng phản hồi hiện tại và nó mang lại cho động cơ độ cứng và khả năng phản hồi.

Các tính năng bảo vệ mạnh mẽ phải là một phần của bất kỳ bộ điều khiển nghiêm túc nào. Bảo vệ quá dòng, tắt máy khi quá nhiệt, khóa điện áp thấp và phát hiện ngừng hoạt động đều ngăn ngừa hỏng hóc sớm. Đối với những người mua so sánh các bộ điều khiển, sự hiện diện của các biện pháp bảo vệ này cũng quan trọng như công suất định mức.

Kết hợp bộ điều khiển với động cơ quạt BLDC

Việc kết hợp bộ điều khiển với động cơ không chỉ là vấn đề về cấp điện áp. Điện áp bus, dòng pha cực đại, hằng số EMF ngược, pha cảm biến Hall, phạm vi tốc độ và cấu hình mô-men xoắn tải đều phải tương thích.

Hãy xem xét một trong các động cơ làm mát không khí BLDC rôto bên ngoài của chúng tôi: dòng DC149 chạy bằng đầu vào 220V DC và có các mức công suất từ ​​600W đến 850W. Loại động cơ này thường được gắn trong thiết bị làm mát bay hơi. Tải là một cái quạt, tuân theo một đường cong mômen vuông góc. Dòng khởi động có thể gấp hai đến ba lần dòng định mức, do đó bộ điều khiển phải có khả năng cung cấp quá tải ngắn hạn mà không bị vấp. Đồng thời, điện áp đầu vào nhấp nháy từ lưới có thể ảnh hưởng đến bus DC, do đó, bộ điều khiển mạnh mẽ cần có dung sai điện áp đầu vào rộng và khả năng điều chỉnh tốt.

Động cơ BLDC cánh quạt ngoài DC149 220V 600W cho máy làm mát không khí Động cơ không chổi than 600W này truyền động trực tiếp bằng điện áp 220V, mô-men xoắn cao và tuổi thọ dài không cần bảo trì, khiến động cơ này phù hợp cho các ứng dụng làm mát công suất lớn liên tục trong nhà xưởng và nhà kho. Xem sản phẩm →

Một điểm thực tế khác là thiết kế tản nhiệt. Bộ điều khiển chạy trong vỏ nóng sẽ làm giảm đầu ra của nó. Nếu động cơ làm mát không khí được lắp đặt trong môi trường chật hẹp, nhiều bụi bẩn, bo mạch của bộ điều khiển phải được phủ bảo vệ và tầng công suất của nó phải có đủ diện tích đồng hoặc luồng gió cưỡng bức. Những lựa chọn này tác động đến tổng chi phí và độ tin cậy của hệ thống. Đối với các nhà sản xuất thiết bị xử lý không khí, việc so sánh đường cong bảo vệ của bộ điều khiển và đường cong giảm công suất là một phần thiết yếu trong việc đánh giá nhà cung cấp. Chúng tôi có thêm chi tiết về ứng dụng quạt công nghiệp có thể giúp bạn đưa ra những yêu cầu đó.

Những cân nhắc thực tế về quạt và thiết bị làm mát

Quạt và thiết bị làm mát đặt ra những yêu cầu đặc biệt đối với việc điều khiển động cơ BLDC. Không giống như tải có mô-men xoắn không đổi, quạt là tải mô-men bậc hai: mô-men xoắn tăng theo bình phương tốc độ và công suất tăng theo lập phương. Điều này có nghĩa là bộ điều khiển phải quản lý tải rất nhẹ ở tốc độ thấp và tải tăng dần ở tốc độ cao. Bộ điều khiển được điều chỉnh cho động cơ servo có thể không xử lý tốt đặc tính này.

Hơn nữa, nhiều quạt sử dụng động cơ cánh quạt bên ngoài, trong đó rôto là lớp vỏ bên ngoài và stato ở bên trong. Động cơ thường được lắp trực tiếp vào cánh quạt nên không gian dành cho bộ điều khiển bị hạn chế. Ở một số sản phẩm, bộ điều khiển được tích hợp vào hộp đầu cuối động cơ hoặc thậm chí được gắn trên một PCB riêng bên trong vỏ quạt. Sự tích hợp này ảnh hưởng đến cách tản nhiệt và cách bộ điều khiển được bảo vệ khỏi độ ẩm và bụi.

Đối với quạt EC, bộ điều khiển là một phần không thể thiếu trong cụm động cơ. Quạt lấy điện áp dòng AC, chỉnh lưu thành DC và sau đó sử dụng bộ điều khiển BLDC để điều khiển động cơ. Người dùng chỉ cần kết nối quạt với nguồn điện xoay chiều và tiết kiệm năng lượng như ổ DC mà không cần VFD bên ngoài. Dòng ECF35010 của chúng tôi là một ví dụ điển hình về thiết kế EC nhỏ gọn này, sử dụng đầu vào 220V và đầu ra 350W.

Động cơ quạt chuyển mạch điện tử ECF-350-10 220V 350W Động cơ quạt EC này tích hợp bộ điều khiển và bộ chỉnh lưu BLDC, đạt hiệu suất lên tới 95% và độ ồn thấp, lý tưởng cho các máy làm mát không khí bay hơi trong đó tiết kiệm năng lượng và vận hành yên tĩnh là ưu tiên hàng đầu. Xem sản phẩm →

Khi chọn động cơ BLDC rôto bên ngoài cho các ứng dụng làm mát không khí, định mức dòng điện của bộ điều khiển cũng như điện trở và độ tự cảm của động cơ phải phù hợp. Bộ điều khiển có kích thước quá nhỏ sẽ quá nóng; một cái quá khổ có thể dẫn đến chi phí không cần thiết và lãng phí không gian. Một tài liệu tham khảo hữu ích là bài viết của chúng tôi về động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài cân nhắc về thiết kế.

Phần kết luận

Bộ điều khiển động cơ BLDC là trí tuệ đằng sau mỗi động cơ không chổi than. Họ sử dụng phản hồi vị trí, logic chuyển mạch và xung điện để biến dòng điện một chiều thành mô-men xoắn quay liên tục. Sự lựa chọn giữa sáu bước và FOC ảnh hưởng đến độ trơn tru, chi phí và độ phức tạp, trong khi sự phù hợp giữa định mức điện áp và dòng điện quyết định liệu động cơ có chạy an toàn ở mức đầy tải hay không. Đối với các kỹ sư và người mua làm việc với bộ làm mát không khí, quạt EC và các máy thổi công nghiệp khác, hiểu cách hoạt động của bộ điều khiển BLDC là bước đầu tiên để chọn kết hợp động cơ và bộ điều khiển đáng tin cậy.