Nghiên cứu ổn định tốc độ và giảm dao động mô men cho động cơ BLDC bằng phương pháp nghịch lưu nguồn áp

ày kết quả nghiên cứu ổn định tốc độ động cơ BLDC nói chung bằng phương pháp 
nghịch lưu nguồn áp sử dụng bộ nghịch lưu cầu IGBT. Tín hiệu từ các cảm biến Hall gắn trong rotor động 
cơ được sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển cho mạch nghịch lưu. Đầu ra của bộ nghịch lưu được nối tới 
các cuộn dây stator động cơ. Sức điện động của động cơ được điều khiển thông qua việc điều khiển các 
chế độ đóng cắt của cầu nghịch lưu. Tốc độ động cơ được ổn định thông qua việc tự động điều chỉnh điện 
áp nguồn cấp.
Từ khóa: nghịch lưu nguồn áp, điều khiển động cơ BLDC.
1. GIỚI THIỆU
Động cơ một chiều không chổi than-BLDC 
(Brushless Direct Current) là một dạng động cơ 
đồng bộ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu và 
dùng dòng điện một chiều cấp cho dây quấn phần 
ứng stator [1], [2]. Động cơ một chiều không chổi 
than BLDC có các ưu điểm như tỷ lệ mô men/quán 
tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lượng cao nên 
được ứng dụng rất rộng rãi [3]. Với nhu cầu tìm 
hiểu kỹ thuật điều khiển, ứng dụng trong thực tế 
và đáp ứng các công việc nghiên cứu giảng dạy, 
học tập của giảng viên và sinh viên ngành điện - 
điện tử, nhóm nghiên cứu xây dựng và mô phỏng 
ổn định tốc độ và giảm dao động mô men cho động 
cơ BLDC bằng phương pháp nghịch lưu nguồn áp 6 
bước sử dụng công cụ Matlab-Simulink [4].
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC
a. Mô tả toán học động cơ BLDC
Hình 1. Sơ đồ thay thế động cơ BLDC
Stator động cơ có ba cuộn dây được cấp 
nguồn bởi điện áp ba pha có độ lớn lần lượt là U
a
, 
U
b
, U
c
. Khi được cấp nguồn, các cuộn dây stator 
sinh ra dòng điện, dòng điện này sinh ra từ trường 
quay quét qua từ trường của nam châm rotor. Sự 
tương tác giữa hai từ trường của stator và rotor động 
cơ sẽ làm cho rotor động cơ quay và làm xuất hiện 
trong cuộn dây stator các sức phản điện động tương 
ứng là E
a
, E
b
, E
c
. Giả sử điện trở và điện cảm tương 
ứng của các pha là R
a
, R
b
, R
c
 và L
a
, L
b
, L
c
. Như vậy 
ta sẽ có sơ đồ thay thế như trên Hình 1.
Phương trình tổng quát được trình bày theo 
công thức (1)
. .
/
/
/
U
U
U
R
R
R
i
i
i
L L L
L L L
L L L
di dt
di dt
di dt
E
E
E
0 0
0 0
0 0
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a ba ca
ba b cb
ca cb c
a
b
c
a
b
c
= + +
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
(1)
Trong đó: L
ba
, L
ca
, L
cb
 là hỗ cảm giữa các cuộn dây 
của các pha. Giả thiết các pha hoàn toàn đối xứng 
ta có: R
a
 = R
b
 = R
c
 = R; L
a
 = L
b
 = L
c
 = L; L
ba
 = L
ca
= L
cb
 = M.
Sau khi Laplace hóa phương trình (1) và giả 
thiết các pha hoàn toàn đối xứng ta sẽ được phương 
trình mới như công thức (2):
. . .
U
U
U
R
R
R
i
i
i
s
L M M
M L M
M M L
i
i
i
E
E
E
0 0
0 0
0 0
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
= + +
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
(2)
Theo định luật Kirchhoff: i
a
 + i
b
 + i
c
 = 0 
cho nên: M.i
b
 + M.i
c
 = -M.i
a
. Tương tự cho các pha 
khác, thay vào phương trình (2):
.
U
U
U
R
R
R
i
i
i
0
0
0
0
0
0
a
b
c
a
b
c
= +
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017 Journal of Science and Technology 43
. .s
L M
L M
L M
i
i
i
E
E
E
0
0
0
0
0
0
a
b
c
a
b
c
-
-
-
++
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
Đặt L
s
 = L - M và sau khi biến đổi:
.
/
/
/
.s
i
i
i
L
L
L
U
U
U
R
R
R
i
i
i
E
E
E
1 0 0
0 1 0
0 0 1
0 0
0 0
0 0
a
b
c
s
s
s
a
b
b
a
b
b
a
b
b
= - -
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSS
R
T
SSSSSSSSS
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWW
V
X
WWWWWWWWW
 (3)
Công thức (3) chính là công thức mô tả mô 
hình động cơ BLDC.
b. Mô men điện từ của động cơ BLDC
Công suất điện cấp cho động cơ: 
P
đ
 = E
a
.i
a
 + E
b
.i
b
 + E
c
.i
c
Công suất cơ sinh ra ở đầu trục động cơ: 
P
c
 = M.~
Với M là mô men điện từ và ~ là tốc độ của 
động cơ. Bỏ qua tổn thất trong động cơ, ta sẽ có 
phương trình cân bằng:
P
đ
 = P
c
Do đó ta có mô men điện từ của động cơ là:
. . .
M
E i E i E i.a a b b c c
~=
+ +
 (4)
c. Phương trình động học của động cơ BLDC
Phương trình động học tổng quát của động 
cơ có dạng: .M J J dt
d M Mm c f c
~= + + +_ i (5)
Trong đó: 
+ M: mô men điện từ của động cơ;
+ J
m
: mô men quán tính của động cơ;
+ J
c
: mô men quán tính của tải;
+ M
f
 = D.~: mô men ma sát với D là hệ số cản;
+ M
c
: mô men tải.
Đặt J = J
m
 + J
c
 và Laplace hóa phương trình 
(5) ta có: .
.
J s
M D Mc~
~
=
- -
 (6)
d. Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC
Hình 2. Sơ đồ thay thế một pha động cơ BLDC
Do đặc điểm động cơ BLDC với các cuộn 
dây stator mắc hình sao là tại một thời điểm luôn 
có hai pha dẫn, nên công suất điện của động cơ là: 
P
đ
=e
a
.i
a
 + e
b
.i
b
 + e
c
.i
c
.
Công suất cơ sinh ra ở đầu trục: P
c
 = M.~
Coi tổn thất công suất trong động cơ là 
không đáng kể P
đ
 = P
c
 nên:
M = . .E I2~ suy ra: 
. .
M
E I2~ = (7)
Phương trình cân bằng điện áp: 
U = 2R.I + 2E (8)
Mặt khác: M = K
t
.I (9)
Thay (8) và (9) vào (7) ta thu được:
 .K
U
K
R M2
t t
2~ = - (10)
Phương trình (10) được gọi là phương trình 
đặc tính cơ của động cơ BLDC.
2.2. Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm 
biến Hall
Động cơ BLDC thông thường được điều 
khiển bởi bộ nghịch lưu nguồn áp sử dụng IGBT 
cấp cho 3 pha của động cơ, tín hiệu điều khiển cho 
bộ nghịch lưu phụ thuộc vào cảm biến vị trí của 
rotor [5]. Các cảm biến vị trí này có thể là cảm biến 
Hall, hoặc cảm biến vị trí tuyệt đối được gắn trên 
rotor. Với 6 bước chuyển mạch, khoảng dẫn cho 
mỗi pha là 120o bằng góc độ điện tương ứng. Chuỗi 
chuyển mạch pha lần lượt như sau: AB-AC-BC-
BA-CA-CB.
Hình 3. Khoảng dẫn của pha A
Hình 4. Khoảng dẫn của pha B
Hình 5. Khoảng dẫn của pha C
Mỗi đoạn dẫn được gọi là 1 bước. Vì vậy, 
tại mọi thời điểm chỉ có 2 pha cùng dẫn, pha thứ 3 
không được nối với mạch nguồn. Để tạo ra mô men 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology44 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017
xoắn cực đại, bộ chuyển mạch điện tử công suất cấp 
nguồn cho 3 pha động cơ phải được chuyển mạch 
liên tục sau mỗi 60o để cho dòng pha đồng bộ với 
sức phản điện động. Thời gian chuyển mạch được 
xác định bởi vị trí của rotor được dò bởi cảm biến 
Hall hoặc được ước lượng từ những thông số của 
động cơ, nghĩa là từ sức phản điện của cuộn dây để 
trống trong động cơ khi hoạt động.
Một hệ thống điều khiển động cơ BLDC đặc 
trưng với cảm biến vị trí được biểu diễn ở Hình 6:
Hình 6. Hệ thống điều khiển động cơ BLDC
Phương pháp điều khiển bằng tín hiệu cảm 
biến Hall được dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản 
của động cơ BLDC, dùng tín hiệu đưa về từ cảm 
biến vị trí rotor để làm tín hiệu điều khiển các khóa 
điện tử đóng hoặc ngắt dòng điện vào các cuộn dây 
tương ứng. Giản đồ xung kích và dòng điện đóng 
ngắt tương ứng thể hiện ở trong lưu đồ về tín hiệu 
cảm biến Hall và dòng điện tương ứng các pha.
Bảng 1. Thứ tự chuyển mạch 6 bước
Vị trí rotor (i
e
) 
(độ điện)
Trạng thái cảm biến Hall
Công tắc được đóng
Dòng điện các pha
H1 H2 H3 A B C
0-60 1 0 0 Q1 Q4 + + OFF
60-120 1 1 0 Q1 Q6 + OFF -
120-180 0 1 0 Q3 Q6 OFF + -
180-240 0 1 1 Q3 Q2 - + OFF
240-300 0 0 1 Q5 Q2 - OFF +
300-360 1 0 1 Q5 Q4 OFF - +
Hình 7. Trạng thái chuyển mạch của các khóa đóng cắt Hình 8. Giản đồ chuyển mạch 6 bước
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017 Journal of Science and Technology 45
2.3. Sơ đồ mô phỏng
Sau khi xây dựng đủ các khối chức năng trên 
Simulink, tiến hành mô phỏng với động cơ BLDC 
có các thông số giả thiết như trong Bảng 2.
Đại lượng đặt tốc độ định mức 3000 vòng/
phút và tải định mức M
c
 = 3 Nm, thời điểm đóng 
tải sau thời gian khởi động 0,1 giây. Điện áp cấp bộ 
biến đổi công suất thông qua bộ nguồn phát 1 chiều 
điện áp 500V và có thể điều chỉnh được biên độ. 
Việc điều chỉnh điện áp nguồn phát được thực hiện 
bởi bộ điều khiển PI nhằm ổn định tốc độ cho động 
cơ thông qua điều chỉnh điện áp phần ứng cho động 
cơ. Việc ổn định mô men cho động cơ được thực 
hiện thông qua việc điều chế sức điện động theo 
dạng sóng hình thang hoặc hình sin bởi bộ biến đổi 
công suất mà đầu vào bộ tạo xung điều khiển là tín 
hiệu của các cảm biến Hall, sơ đồ mô phỏng của hệ 
thống được trình bày như trong Hình 9.
Bảng 2. Bảng thông số động cơ
1 Công suất 1 kW
2 Điện áp 500 V
3 Dải tốc độ: 3000 vòng/phút
4 Số cực 4
5 Điện trở/pha (Ω) 2.8750 Ω
6 Điện cảm/pha (H) 8.5e-3 H
7 Mô men quán tính (kg/m2) 2-4 kg/m2
8 Hằng số điện áp (V_đỉnh 
pha-pha/krpm)
126.95
9 Hằng số mô men (Nm/A_
đỉnh)
1.2124
Hình 9. Sơ đồ mô phỏng hệ thống
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1. Kết quả mô phỏng khi điều chế sức phản 
điện động (Back-EMF) có dạng hình thang
Điều chế sức phản điện động được sử dụng 
phổ biến để đề cập đến điện áp xảy ra trong động cơ 
điện khi có chuyển động tương đối giữa phần ứng 
của động cơ và từ trường của nam châm hoặc của 
các cuộn dây động cơ. Thông tin vị trí cảm nhận bởi 
cảm biến Hall được sử dụng để tạo các lệnh điều 
khiển chính xác cho bộ chuyển đổi công suất nhằm 
đảm bảo điều chỉnh ổn định tốc độ và mô men tải 
của động cơ. Hình 10 là giản đồ tín hiệu cảm biến 
Hall được sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển. Mỗi 
tín hiệu của cảm biến Hall có độ rộng 180o điện, 
xung nọ cách xung kia một khoảng là 60o điện. Tạo 
ra 6 điểm chuyển mạch cho bộ điều khiển.
Hình 10. Giản đồ tín hiệu cảm biến Hall
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology46 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017
Hình 11. Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tải được 
đóng sau 0,1s
Hình 12. Đáp ứng mô men của động cơ
Hình 13. Điện áp 1 chiều đặt vào bộ biến đổi công suất
Hình 14. Điện áp dây U
ab
 của động cơ
Hình 15. Đáp ứng dòng điện và sức điện động của 
pha A
Khi bắt đầu khởi động mô men động cơ tăng 
nhanh và đạt đỉnh ở giá trị xấp xỉ 28 Nm sau đó 
nhanh chóng ổn định và đạt đến giá trị đặt 3 Nm. 
Mô men tải được tác động tại thời điểm 0,1 giây, 
nhìn trên đồ thị ta thấy bộ điều khiển đã phản ứng 
nhanh chóng bằng cách tăng điện áp 1 chiều nguồn 
cấp để tăng mô men đáp ứng yêu cầu mô men của 
phụ tải.
Dạng sóng dòng điện stator động cơ có 
dạng xung hình răng cưa như trên Hình 15. Do ảnh 
hưởng của bộ nghịch lưu nguồn áp. Dòng điện khởi 
động ban đầu tăng nhanh sau đó giảm dần theo thời 
gian khởi động của động cơ để đạt được tốc độ định 
mức. Khi mô men tải được áp dụng dòng điện stator 
tăng để duy trì tốc độ định mức. Mô men của động 
cơ cũng có dạng sóng răng cưa.
3.2. Kết quả mô phỏng khi điều chế sức phản 
điện động (Back-EMF) có dạng hình sin
Các hình vẽ 16, 17 lần lượt miêu tả đáp ứng 
tốc độ và mô men của động cơ. So với
Hình 16. Đáp ứng tốc độ động cơ
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017 Journal of Science and Technology 47
Hình 17. Đáp ứng mô men
Hình 18. Điện áp nguồn 1 chiều đặt vào bộ biến đổi 
công suất
Hình 19. Điện áp dây đặt vào động cơ
Hình 20. Đáp ứng dòng điện các pha i
a
, i
b
, i
c
 và sức 
điện động của pha A
Nhận xét:
Sức điện động đặt vào dây quấn động cơ có 
dạng gần với hình sin, biên độ dao động mô men đã 
nhỏ hơn so với trường hợp trước đó, tốc độ động cơ 
vẫn được duy trì xung quanh giá trị đặt. Dòng điện 
cung cấp cho động cơ cũng tăng cao nhằm duy trì 
mô men không đổi. Tốc độ của động cơ khi có tải 
đóng vào sẽ bị dao động xung quanh giá trị đặt, tuy 
nhiên vẫn bám tốt vào giá trị đặt. Dòng điện và sức 
phản điện động động cơ có dạng hình thang và hình 
sin, đúng với lý thuyết về động cơ một chiều không 
chổi than. Đặc tính dòng điện và mô men bị đập 
mạch lớn. Tuy nhiên, các dạng đặc tính đó vẫn bám 
vào các giá trị đặt và có thể chấp nhận được.
4. KẾT LUẬN
Các kết quả nghiên cứu cho thấy phương 
pháp nghịch lưu nguồn áp là có hiệu quả và phù 
hợp cho các loại tải biến đổi của động cơ điện một 
chiều không chổi than. Với những loại động cơ này 
thì việc tính chọn được mạch cầu IGBT thích hợp 
nhằm nâng cao được việc điều khiển tốc độ cũng 
như điều khiển mô men cho động cơ là một vấn 
đề quan trọng. Bên cạnh các kết quả đã đạt được, 
nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm hiểu và triển khai 
thiết kế chế tạo các mạch điều khiển và bộ chuyển 
mạch điện tử công suất sử dụng IGBT cho những 
động cơ có công suất lớn. Những nghiên cứu phát 
triển tiếp theo về điều khiển tốc độ và mô men cho 
động cơ BLDC thành công sẽ là một trong nhiều xu 
hướng giải quyết các sáng kiến xanh nhằm tiết kiệm 
tài nguyên quý giá mà không ảnh hưởng bất lợi đến 
cuộc sống của chúng ta.
Tài liệu tham khảo
[1]. A. Kusko and S.M. Peeran, Definition of Brushlees Permanent Magnet Motor, inConf., Rec., 
IEEE-IASAnnual Meeting, 1 (1988), pp. 20-22.
[2]. J. P. Johnson and M. Ehsani, Review of Sensorless Methods for Brussless DC Motor, in Conf., 
Rec., IEEE-IASAnnual Meeting, (1999), pp.143-150.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology48 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017
[3]. Lefley, P., L. Petkovska, and G. Cvetkovski, Optimization of the Design Parameters of an 
Asymmetric Brushless DC Motor for Cogging Torque Minimization in Power Electronics and 
Applications, EPE 2011, Proceeding of the 2011-14thEuropean Conference on 2011.
[4]. N. Mohan, W. P. Robbin, and T. Undeland, Power Electronics: Converters, Applications, and 
Design, 2nd ed. New York: Wiley, (1995)
[5]. Gamazo-Real, José Carlos, Ernesto Vázquez-Sánchez, and Jaime Gómez-Gil, Position and 
Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends, 
Sensors (Basel, Switzerland) 10.7 (2010), pp. 6901–6947. 
STUDY ON STABILITY SPEED AND REDUCING ELECTROMAGNETIC TORQUE RIPPLES 
FOR BLDC MOTOR FED BY VOLTAGE SOURCE INVERTER
Abstract:
This paper presents the study on stability speed BLDC motors in general by means of the voltage 
source inverter, the inverter is an IGBT full bridge. By taking the signal from the Hall sensors which 
mounted in the rotor to generate control signals for the inverter. The output of the inverter is connected to 
the stator windings of motor. Electromotive force of the motor is controlled via the control switching modes 
of inverter bridge. The motor speed is stable through the automatic voltage regulator power supply.
Keywords: voltage source inverter, BLDC motor control.