17

การควบคมมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานดวยไมโครคอนโทรลเลอรสาหรบจกรยาน สามลอไฟฟา Brushless DC Motor Controlled with Microcontroller for Electric Tricycle เฉลมพล เรองพฒนาววฒน* และยทธนา กนทะพะเยา สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตรและสถาปตยกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม 7/1 ถ.นนทบร 1 ต.สวนใหญ อ.เมอง จ. นนทบร *ผรบผดชอบบทความ: chalermpol.r@rmutsb.ac.th บทคดยอ บทความนนาเสนอการควบคมมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานควบคมการทางานดวยไมโครคอนโทรลเลอรโดยนาไปใชกบจกรยานสามลอไฟฟา เนองจากมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานไมตองบารงรกษาเมอเทยบกบมอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ระบบควบคมทนาเสนอใชหลกการแบบสเหลยมคางหม ซงขอมลตาแหนงสนามแมเหลกทโรเตอรมาจากตวตรวจจบฮอลลทมมมตางกน 120 องศา โดยการหมน 1 รอบ ใชการอางอง 6 ขน เพอยนยนระบบการควบคมทนาเสนอ ไดทดสอบควบคมความเรวของจกรยานสามลอไฟฟาบรรทกนาหนก 80 กโลกรม คาสาคญ มอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน จกรยานสามลอไฟฟา ตวตรวจจบฮอลล , 10.14456/rmutlengj.2016.3 Abstract This paper presents a brushless DC motor controlled. The microcontroller is used to control the system operation apply to an electric tricycle. Since, a brushless DC motor is a maintenance free which it is compared to a classical DC motor. A trapezoid method apply to the control system is proposed. The rotor magnet position information, it is performed by a hall sensor with a difference of 120, and 1 cycle there are 6 step reference. To confirm the proposed control system, it is tested to control speed of the electric tricycle at a 80 kg laden. Keywords: brushless DC motor, electrical tricycle, hall sensor 1. บทนา

ในปจจบนมอเตอรถกนามาประยกตใชกบระบบขนสงหรอการเดนทางอยางแพรหลาย เชน รถไฟฟา รถยนต และรถจกรยานไฟฟา เปนตน เนองจากตองการลดการใชนามนซงเปนปจจยหลกในการสรางปญหาจากดานสงแวดลอมรวมถงราคาทมแนวโนมสงขนเรอย จงทาใหรถทใชพลงงานไฟฟาเรมเปนทนยมมากขน [1] แตการใชรถไฟฟานนระบบขบเคลอนหลกคอมอเตอรไฟฟาซงแบบดงเดมนน จะใชมอเตอรไฟฟากระแสตรง (direct current motor) โดยทวไปมอเตอรไฟฟากระแสต รงจ ะมอ าร เ มเ จอร เปน ตวห มน (rotor) แล ะสนามแมเหลกเปนตวอยกบท (stator) ซงจะอาศยแปรงถานและซคอมมวเตเตอร ทาหนาทเปนขบวนการคอมมวเตชนทางกล (commutation mechanical) มอเตอรแบบนจะมขอเสย เนองจากการเสยดสทาใหเกดความรอน การสกหรอ และการรบกวนทางแมเหลกไฟฟา (electromagnetic interference) [1-2] แตปจจบนนยมนามอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน (brushless dc motor) ซงอารเมเจอรจะเปนตวอยกบท และสนามแมเหลกจะเปนตวหมนและใชตวตรวจจบ (sensor) เพอตรวจจบตาแหนงสนามแมเหลกทโรเตอรและใชอนเวอรเตอร

สาหรบขบวนการคอมมวเตชนทางระบบอเลก ทรอนกส (commutation electronically) การตรวจจบตาแหนงของตวหมนตลอดเวลาใชตวตรวจจบฮอลล (hall sensor) สามตวโดยตดตงไวบร เวณใกลกบตวหมน ซงตวตรวจจบฮอลลจะอาศยหลกการตรวจจบสนามแมเหลกจากตวหมนทมาปะทะกบตวตรวจจบฮอลลตลอดเวลา

โดยลกษณะของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานมขอ ดค อ ไ มจ า เป นต องม กา รบา รง รกษ าแ ปรงถา น(maintenance free) และซคอมมวเตเตอร และยงมขอดกวามอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบดงเดม ในเรองของคณลกษณะแรงบดกบความเรว มการตอบสนองทางพลวตรเรว และประสทธภาพการทางานสง ดงนนในบทความนจงเลอกนามอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน มาประยกตใชกบจกรยานสามลอไฟฟา โดยมการตดตงมอเตอรแทนดมลอหนาเดมของจกรยานสามลอเพอจะไดตดตงงาย และมคนเรงสาหรบควบคมความเรวของจกรยานไฟฟา

18

2. ทฤษฎและวธการดาเนนการวจย ในสวนของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานจะม

สวนของสายไฟทใชในการควบคม 5 เสน โดยแบงออกเปน 2 เสนสาหรบแหลงจายไฟฟากระแสตรง และสวนทเหลออก 3 เสนเปนสายสญญาณจากตวตรวจจบฮอลล และสายไฟในสวนของตวมอเตอรอก 3 เสน ซงจะมการทางานดงตอไปน 2.1 การท างานของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน

การทางานของมอเตอรจะอาศยพนฐานของแรงดด (attraction) และแรงผลก (repulsion) ระหวางขวแมเหลกทอาศยหลกการเดยวกบมอเตอรไฟฟากระแสสลบซงโครนสทมตวหมนเปนแมเหลกถาวรดงรปท 1 โดยมขนตอนการเรมหมนเมอกระแสไหลผานขดลวดชดทหนงของชดขดลวดทสเตเตอรทงสาม และสรางขวแมเหลกนนเปนแรงดดใหสนามแมเหลกครบรอบของขวทตางกน โรเตอรจะเคลอนทไปถากระแสเลอนไปทชดขดลวดทตดกน เกดลาดบการเปลยนแปลงแตละชดขดลวดทาใหโรเตอรตดตามการเคลอนทของสนามแมเหลกหมน [3]

รปท 1 การเคลอนทของมอเตอร

รปท 2 แผนภาพการคอมมวเตชน

โดยการเคลอนทของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรง

ถานจะอาศยการทางานครงละสองเฟส ผลลพธคอจะทาใหเกดแรงบดมาก ดวยเหตทเฟสทสามหยดทางานซงเปนขอดของระบบขบเคลอนทางกลทตองการแรงบดมาก สาหรบการควบคมการทางานแบบสองเฟสจะใชหลกการนาพลงงานไฟฟาทเกดขนใหสอดคลองกบตาแหนงของตวโรเตอร โดยใชตวตรวจจบสญญาณดวยตวตรวจจบฮอลลทงสามตาแหนงทตดตงทสเตอร โดยสญญาณจากตวตรวจจบตาแหนงจะถก

นามาสรางตวเลขสามหลกทมการเปลยนแปลงทกๆ 60 องศาทางไฟฟา โดยสญญาณจากตวตรวจจบฮอลลนจะถกนาไปกาหนดจงหวะเวลาการขบ (drive timing) ของสวตชกาลงและขณะมอเตอรหมนจะเกดแรงเคลอนไฟฟาตานกลบ (back electromotive forces) [4] โดยสญญาณแสดงในรปท 2 2.2 แบบจ าลองมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน

แบบจาลองของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานในตวแปรเฟส จะไดสมการของชดขดลวดสามเฟสในตวแปรเฟสซงสามารถอธบายไดดงตอไปน

an a a a

bn b b b

cn c c c

v i di dt e

v R i (L-M) di dt e

v i di dt e

(1)

เมอ Van Vbn Vcn คอ แรงดนเฟสของสเตเตอร ian ibn icn คอ กระแสเฟสของเฟสของสเตเตอร ean ebn ecn คอ แรงเคลอนไฟฟาตานกลบ R คอ ความตานทานสเตเตอร L คอ ความเหนยวนา M คอ ความเหนยวนารวม

ซงคาแรงเคลอนไฟฟาตานกลบหาไดจาก

k m k re ω f (θ ) (2)

เมอ k คอ a b และ c โดยฟงกชนของ fa fb และ fc จะมรปรางเหมอนกบแรงเคลอนไฟฟาตานกลบดงรปท 2 ซงจะมคาขนาด 1 และ r เปนตาแหนงตวตรวจจบฮอลลสามตวทวางหางกน 120 องศาทางไฟฟา

ซงแบบจาลองทางพลวตของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน จะประกอบดวยสองสวนคอ สวนทางกลและสวนทางไฟฟา โดยสวนแรกเปนการหาคาแรงบดสนามแมเหลกทไดจากสวนทางไฟฟาดงสมการท 3

t k k r

k

T k i f (θ )e (3)

สวนสมการท 4 เปนลกษณะการเคลอนททางกลของมอเตอร โดยจะมความสมพนธกบทางไฟฟาในสวนความเรวและตาแหนงโรเตอรดงสมการท 5

m

e L m

dωT T J +Bω

dt (4)

1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1

Phase U

Phase W

Phase V

Hall C

Hall A

Hall B

0 18060 120 360240 300

eθ

eθ

eθ Back EMF

Drive Timing

19

rm

dθ P= ω

dt 2 (5)

เมอ Te = แรงบดแมเหลกไฟฟา TL = แรงบดโหลด m = ความเรวการเคลอนทของ

มอเตอร J = แรงเฉลยโรเตอร B = คาคงทการหนวง kt = คงทแรงบด P = จานวนขว r = องศาทางไฟฟา จากความสมพนธของสมการทงหมดของระบบในรปปรภมสถานะ

aan a a

s

di 1= [v e Ri ]

dt L (6)

b

bn b b

s

di 1= [v e Ri ]

dt L (7)

c

cn c c

s

di 1= [v e Ri ]

dt L (8)

เมอ Ls = L-M การแปลงลาปลาซของสมการท 6 7 และ 8

a an a

s

1I = [v e ]

L s R

(9)

b bn b

s

1I = [v e ]

L s R

(10)

c cn c

s

1I = [v e ]

L s R

(11)

และการแปลงลาปลาซของสมการท 4

e L mT T Js+B ω (12) เมอความเรวของมอเตอรสามารถหาไดจาก

m e L

1ω T T

Js+B (13)

2.3 การควบคมมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน มอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานทใชคอมมวเต

เตอรทางอเลกทรอนกสเพอควบคมการสบเปลยนทศทางกระแสสาหรบกาหนดทศทางการหมนของมอเตอร ใชวงจรแปลงผนกาลงไฟฟากระแสตรง จะใชโครงสรางบรดจสามเฟส แสดงดงรปท 3 สาหรบการควบคมความเรวของมอเตอร จะควบคมดวยสวตชตวบนของวงจรแปลงผนกาลงไฟฟา โดยใชการควบคมดวยสญญาณพดบบวเอม (PWM) ซงเกดจากการมอดเลตสญญาณแรงดนโดยปรบแรงดนไฟฟากระแสตรงเพอใหความเรวของมอเตอรเปลยนแปลง วธการนทาไดงายและสามารถจากดคากระแสเรมหมน เพอควบคมความเรวและแรงบด หลกการทางานทอธบายขางตนสามารถสรปไดดงตาร างท 1 เป นก ารแ สด งคา องศ า ตาแ หน งขอ งต วตรวจจบฮอลล และการกาหนดรปแบบการสวตช [4-5]

รปท 3 บรดจสามเฟส

ตารางท 1 ลาดบคอมมวเตชนสาหรบการหมน

Electrical angle

Hall sensor Phase current Switch closed H1 H2 H3 Ia Ib Ic

0o-60o 1 0 1 + - off sw1 sw4

60o-120o 1 0 0 + off - sw1 sw6 120o-180o 1 1 0 off + - sw3 sw6

180o-240o

0 1 0 - + off sw3 sw2

240o-300o

0 1 1 - off + sw5 sw2

300o-360o

0 0 1 off - + sw5 sw4

3. การออกแบบระบบควบคม

ในการออกแบบระบบควบคมนนแยกออกเปนสองสวนคอสวนงานทางดานวงจรอเลกทรอนกสประกอบดวย ว งจ ร ข บ เ ก ต ส ว ต ช ก า ล ง แ ล ะร ะ บ บ คว บ ค ม ใ ชไมโครคอนโทรลเลอรเบอร dsPIC30F2010 แสดงไดอะแกรมการทางานของระบบควบคมดงรปท 4

20

รปท 4 ไดอะแกรมการทางานของวงจรควบคม

3.1 ไมโครคอนโทรเลอร

ไมโครคอนโทรเลอรเบอร dsPIC30F2010 ซงสามารถประมวลผลขอมลได 16 บต ซงมความเรวเพยงพอสาหรบการออกแบบการควบคมการความเรวของมอเตอร เชน มอเตอรเหนยวนา มอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน และมอเตอรไฟฟากระแสตรง เนองจากมความสามารถหล กคอ มโมดลสรางสญญาณพดบเอม 6 ชองอสระหรอ 3 ค เปนคอมพรเมนต และมตวแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอล ขนาด 10 บต [5] เปนตน 3.2 วงจรขบเกตและวงจรภาคก าลง

ในสวนของวงจรขบเกต (gate drive) นไดถกนามาใชเพอขบขาเกตของทรานซสเตอรกาลง (power transistor) ไอจบท (IGBT) หรอมอสเฟต (MOSFET) เพอการทางานของสวชกาลงเหลาน โดยอาศยการทาใหมอสเฟตนากระแสและหยดนากระแสอยางรวดเรวทาไดโดยการใชทรานซสเตอรคคอมพลเมนท (complement) ตอรวมกนแบบวงจรคอลเลคเตอรรวม (common collector) ทาหนาท ใสประจและดงประจออกจากเกตของมอสเฟตเพอกระตน ใหการสะสมประจและการคายประจของเกตในมอสเฟตวงจรภาคกาลง สวนวงจรภาคกาลงชนด 3 เฟส แบบบรดจ ดงรปท 5 3.3 ขนตอนควบคมการท างาน

ไมโครคอนโทรเลอรเบอร dsPIC30F2010 ถกนามาใชเพอสรางสญญาณควบคมการทางานของมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน โดยตวตรวจจบฮอลลจะตรวจจบตาแหนง ของสน ามแมเ หลกท โ รเตอร ปอนกล บมาให ไมโครคอนโทรเลอรออกคาสงควบคมความเรวของมอเตอร โดย ใชห ลก การ รป ทรงส เ หลย มค างห ม (trapezoidal method) ทมมมตางกน 120 องศา โดยการทางาน 1 รอบใชการอางอง 6 ขนแสดงดงตารางท 1 (0 o-360o) เพอสรางสญญาณพดบบวเอม สาหรบควบคมการทางานวงจรบรดจ สามเฟส เพอจาย กาลงงานไฟฟาใหกบมอเตอรไฟฟ ากระแสตรงไรแปรงถาน โดยตวตรวจจบฮอลลจะสงสญญาณ

เขามาทพอรต RB3 RB4 และ RB5 เพอกาหนดลาดบการทางานของสวตชกาลง ทง 6 ตว (SW1-SW6) เมอกาหนดใหความถการสวตชเทากบ 50 kHz โดยสญญาณควบคมของวงจรจากโมดลพดบบวเอมของไมโครคอนโทรลเลอรจะตอเขากบวงจรขบเกตเพอควบคมการทางานสวตชกาลง แสดงดงรปท 5 สาหรบควบคมการทางานของมอเตอร ซงจะมลาดบขนการควบคมการทางานดงรปท 6 และจากไดอะแกรมการทางานของวงจรควบคมไดนามาทดสอบกบวงจรควบคมความเรวมอเตอรดงรปท 7 เปนแผงวงจรควบคมตนแบบทนาเสนอ

รปท 5 วงจรขบเกตและมอสเฟสกาลง

รปท 6 แผนผงการทางานของโปรแกรม

dsP

IC3

0F

20

10

Ga

te d

rive

commutation logic

H1

H3

H2

-V

+V

Power switch

Rotor Position

Q2

Q1

Q3

Q5

Q4

Q6

U

V

W

start

switch=on

read adc

adc > 0

Read hall

effect sensor

get table

state value

stopno

yes

yes

no

generate

PWM

21

รปท 7 แผงวงจรควบคมตนแบบทนาเสนอ

รปท 8 สญญาณตวตรวจจบฮอลล

รปท 9 เปรยบเทยบสญญาณ PWM

4. ผลการวจยและอภปราย

ในบทความนเลอกใชมอเตอรไฟฟากระแสตรงไรแปรงถานขนาด 36 โวลต 350 วตต และตดตงแทนดมลอเดมของลอจกรยานขนาด 20 นว ใชแบตเตอรขนาด 12 โวลต 12แอมแปรตอชวโมง จานวน 3 ลกตออนกรม โดยเลอกสวตชกาลงเบอร IRFP2907 ซงใหเหมาะสมกบการใชงานจากชดวงจรตนแบบในรปท 7 ไดทาการวดสญญาณการทางานของตวตรวจจบฮอลลดงรปท 8 เพอดลกษณะการทางานเปนไปตามหลกการของการตรวจสอบตาแหนงโรเตอร สวนรปท 9 แสดงสญญาณพดบบวเอมทควบคมสวตชดานบน (Q1 Q3 และ Q5) สวนรปท 10 แสดงลกษณะของแรงดนทเฟส U–V

และ V–W และกระแสไหลผานเฟส U ในขณะทาการทดสอบขณะมโหลด สวนในรปท 11 ทาการทดสอบโดยการเพมและลดโหลดแบบทนททนใดโดยใชวธการกดเบรคเปนการแทนการเพมโหลด และปลอยเบรกเปนการแทนการลดโหลด

จากการทดสอบขบขรถจกรยานสามลอไฟฟา แสดงดงรปท 11 ผลท ไดจากการทดสอบความเรวสงสดของรถจกรยานสามลอไฟฟาทนาหนกบรรทก 80 กโลกรม รถจกรยานสามลอไฟฟาสามารถทาความเรวสงสดเฉลยได 21.9 กโลเมตร/ชวโมง โดยเมอประจแบตเตอรเตม และทดสอบการวงใหจนกวาแบตเตอรหมดจกรยานสามลอไฟฟาสามารถวงไดระยะทางเฉลย 22.1 กโลเมตร ตามลาดบ

รปท 10 แรงดน และกระแสทมอเตอร

รปท 11 การเพมและลดโหลดแบบขน

รปท 12 จกรยานสามลอไฟฟา

Hall_C

Hall_A

Hall_B

Zoom Hall_AZoom Hall_B

Zoom Hall_C

0º 60º 180º

240º 300º

360º 120º

PWM_Q1

PWM_Q3

PWM_Q5

Zoom PWM_Q1

VW-V

VU-V

IU

No-Load

On-Load IU

VU-V

VW-V

Brushless DC Motor

Key switch

electric bike throttle

Control board and battery

Volt-Amp meter

22

5. สรป จากผลการทดสอบการควบคมความเรวของมอเตอร

ไฟฟากระแสตรงไรแปรงถาน ทใชขบเคลอนรถจกรยานสามลอไฟฟา จะเหนไดวาระบบควบคมทนาเสนอสามารถควบคมความเรวรถจกรยานไดตามตองการ บนเงอนไขการทดสอบทมนาหนกบรรทก 80 กโลกรม จกรยานสามลอไฟฟาวงไดความเรวเฉลย 21.9 กโลเมตร/ชวโมง และแบตเตอรทใชในงานวจยนเปนชนดแหงขนาด 12 โวลต 12 แอมแปรตอชวโมง จานวน 3 ลก ตออนกรมกนเพอใหไดระดบแรงดนท 36 โวลต โดยระยะเวลาในการอดประจแบตเตอรใหเตม ประมาณ 5 ชวโมงในการอดประจแบตเตอร 1 ครงจกรยานสามลอไฟฟาสามารถวงไดระยะทางเฉลย 22.1 กโลเมตร โดยการพฒนาตอไปจะเพมฟงกชนใหมการกลบทางหมนเพอใหสามารถถอยหลงได และระบบตดสญญาณในขณะตองการหยดจากการเบรคจกรยาน 6. กตตกรรมประกาศ

ขอขอบคณนกศกษาสาขาวชาวศวกรรมไฟฟาทใหความชวยเหลอในการทาวจย และสาขาวชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม ทสนบสนนอปกรณและเครองมอในการทาวจยในครงน 7. เอกสารอางอง

[1] Chan, T.F, Yan, L.T. and Fang, S.Y. (2002). In-wheel permanent-magnet brushless dc motor drive for an electric bicycle, IEEE Transactions on energy conversion, vol. 17, no. 2, June 2002, pp. 229 – 233.

[2] Kahveci, H., Okumus, H.I. and Ekici, M. (2014). Improved brushless DC motor speed controller with digital signal processor, IET Journals & Magazines, vol. 50, no. 12, June 2014, pp. 864 – 866.

[3] Xia, C.L. (2012). Permanent magnet brushless DC motor drives and controls, John Wiley & Sons, Singapore.

[4] Liu, D. (2008). Brushless DC motors made easy, freescale, 2008.

[5] Souza, S.D. (2004). Sensored BLDC motor control using dsPIC30F2010, Microchip Technology, 2004.