Yêu cầu chung của động cơ trợ lái là vừa có khả năng đáp ứng mô men nhanh, chính xác. Có nhiều loại động cơ điện thỏa mãn yêu cầu này: động cơ một chiều (DCM), động cơ không đồng bộ (IM), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ chìm (IPM), động cơ một chiều không chổi than (BLDCM) và động cơ từ trở thay đổi (SRM)... Bảng 2-1 so sánh đánh giá đặc điểm của một số loại động cơ trợ lái phổ biến nhất.
Bảng 2-1 cho thấy động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực từ ẩn (IPM) là động cơ thích hợp nhất cho trợ lái điện xe ô tô. Tuy nhiên, ta lựa chọn động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) để thực hiện nghiên cứu và mô phỏng trong đồ án. Bởi lẽ, động cơ này có hiệu suất cao, khả năng sinh mô men tốt và điều khiển ổn định tốc độ dễ.
Bảng 2.1. So sánh đặc điểm một số loại động cơ.
Loại động cơ IM DCM BLDCM IPM SRM
Hiệu suất 80-90% 90-95% 90-95% 90-95% ~85%
thông dụng (vòng /phút) 4000 v/p 5000 v/p Tổn hao (Sắt + Đồng) Stator +Rotor Phần cảm+ứng Stator Stator Stator +Rotor Công suất/Khối lượng Khá cao Trung bình Cao Cao Cao Khả năng sinh mô men Tốt Tốt Tốt Rất tốt Rất tốt
Độổn định mô men Tốt Rất tốt Nhấp nhô Tốt Rất nhấp nhô Điều khiển ổn định tốc độ Dễ Rất dễ Dễ Dễ Khó Khả năng hoạt động trên
tốc độ cơ bản Tốt Hạn chế Tốt Rất tốt Rất tốt
Giá thành Rất cao Khá cao Cao Cao Thấp
Tuổi thọ Trung bình Thấp Cao Cao Rất cao
2.2. Giới thiệu động cơ BLDC
Động cơ một chiều có rất nhiều ưu điểm như: có thểđiều khiển tốc độ một cách dễ dàng, đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng… Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số hạn chế, trong đó có việc hạn chế do sự chuyển mạch bằng cơ cấu chổi than-vành góp khiến phát sinh ra tiếng ồn và tia lửa điện nên hạn chế làm việc trong các môi trường làm việc đặc biệt và hoạt động ở tốc độ cao.
Do đó, để có thể sử dụng được các ưu điểm mà động cơ một chiều đem lại cũng như hạn chế một số các nhược điểm về chuyển mạch của nó, người ta đã chế tạo ra
Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
động cơ một chiều không chổi than (tiếng anh gọi là: Brushless DC motor, hay từ nay xin gọi là động cơ BLDC). Do việc không dùng chổi than nên động cơ BLDC không bị giới hạn bởi sự chuyển mạch nhưở động cơ một chiều. Động cơ này có nhiều ưu điểm hơn động cơ một chiều, trong đó có thể kể tới là:
- Thời gian hoạt động dài, bền: do không phải dùng chổi than nên động cơ BLDC không phải thường xuyên bảo dưỡng nhưđộng cơ một chiều, do đó sẽ tiết kiệm được thời gian dừng máy để thay thế chổi than.
- Trong quá trình hoạt động của mình, động cơ BLDC không gây ra nhiễu trong quá trình chuyển mạch như động cơ một chiều, do đó nó có thể được đặt trong môi trường dễ cháy nổ. Đồng thời, việc không cần chuyển mạch bằng chổi than-vành góp nên sẽ giúp giảm thiểu được rất nhiều tiếng ồn khi vận hành, giúp cải thiện môi trường làm việc.
Tuy vậy, động cơ BLDC vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như việc mô men bị nhấp nhô do sự chuyển mạch giữa các van và hoạt động trong vùng tốc độ trên định mức.
2.3. Cấu tạo động cơ BLDC
Động cơ một chiều không chổi than (từ nay xin gọi là động cơ BLDC) có cấu tạo khác với động cơ một chiều thông thường: thay vì dùng bộ chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì động cơ BLDC dùng bộ chuyển mạch điện tử. Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm các bộ phận: Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử. Trong đó, Stator và Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục bên trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thểđược đặt bên ngoài nhưng vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi nó như một phần của động cơ.
2.3.1. Stator của động cơ BLDC.
Stator của động cơ BLDC được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện lại với nhau, quanh chu vi phía trong có sẻ rãnh đểđặt dây dẫn.
Các cuộn dây được cấu tạo từ các bối dây nối nối tiếp với nhau, đặt trong các rãnh đặt dây dẫn của Stator. Sự bố trí khác nhau của các bối dây trong các pha sẽ tạo nên sự khác nhau về hình dáng của sức phản điện động trong Stator của động cơ.
Thông thường thì với động cơ không chổi than có hai dạng hình dáng của sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang. Và động cơ có sức phản điện động hình thang chính là động cơ một chiều không chổi than do đặc tính cơ của nó có dạng giống mới đặc tính cơ của động cơ một chiều.
Hình 2.1. Sức phản điện động hình thang(BLDC)
Các cuộn dây có thể được nối với nhau theo cách đấu sao hoặc đấu tam giác. Các cuộn dây của động cơ BLDC có thể là hai, ba hoặc nhiều pha nhưng thông dụng nhất là loại ba pha. Phụ thuộc vào công suất động cơ, người ta có thể chọn động cơ dùng theo tỉ lệ điện áp tương ứng. Các động cơ công suất nhỏ thường dùng nguồn nhỏ hơn hoặc bằng 48 V, được dùng trong các chuyển động nhỏ, robot… Còn các động cơ có nguồn trên 100V thường là loại có công suất trung bình và lớn, thường được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tựđộng hóa…
Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
2.3.2.Rotor của động cơ BLDC:
Rotor của động cơ BLDC được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với số lượng đôi cực dao động là từ hai đến tám. Ở vùng tốc độ rất cao thì động cơ với sốđôi cực là hai hoặc bốn thường được lựa chọn. Các cực Nam, cực Bắc được xếp xen kẽ, luân phiên nhau trên Rotor của động cơ.
Rotor lõi tròn với nam châm đặt trong chu vi
Rotor lõi tròn với nam châm hình chữ nhật được đặt trong rotor
Rotor lõi tròn với nam châm hình chữ nhật được chèn vào
trong rotor
Hình 2.2 . Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than.
Vật liệu làm nam châm Rotor thông thường có hai loại: Ferrit và hợp kim. Mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau: nam châm làm từ Ferrit có giá thành rẻ nhưng mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam châm Ferrit lại thấp; nam châm làm từ hợp kim có giá thành cao cũng như công nghệ chế tạo phức tạp hơn, nhưng bù lại mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam châm hợp kim lại cao hơn. Vì vậy mà với cùng một thể tích thì mô men sinh bởi nam châm hợp kim luôn lớn hơn mô men sinh bởi nam châm Ferrit. Do vậy mà với nam châm hợp kim, có thể giảm được thể tích của rotor, từđó giảm được kích thước của động cơ, nên có thểđược ứng dụng trong một số trường hợp đòi hỏi cao về kích cỡ không gian đặt động cơ.
2.3.3. Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC.
Nhiệm vụ của bộ cảm biến vị trí Rotor nói chung là tạo ra tín hiệu đồng bộ sức điện động động cơ phục vụ cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở bộ chuyển mạch điện tử.
Cảm biến vị trí trong động cơ có thể sử dụng một số loại: Resolver, encoder quang, cảm biến Hall… Trong nội dung luận văn này, tác giả xin trình bày về nguyên lý của hai bộ cảm biến vị trí thông dụng nhất là Encoder quang và cảm biến Hall.
2.3.3.1. Cảm biến vị trí sử dụng Encoder.
Hình (2.3) mô tả cấu tạo cơ bản của một bộ cảm biến vị trí sử dụng Encoder quang điện, bao gồm bốn sensor quang S1, S2, S3, S4 và các khe sáng là hai khe vòng cung đối xứng nhau và có độ dài một phần tư vòng tròn. Các Sensor quang thực chất được cấu tạo bởi một bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor).
Nguyên lý hoạt động: Các bộ phát và bộ thu được gắn cố định, còn màn chắn sáng được gắn trên đĩa quang được gắn đồng trục với Rotor động cơ. Khi không có khe sáng thì ánh sáng giữa bộ phát và bộ thu không chiếu thẳng sang nhau được nên không có tín hiệu (coi như mức 0); còn khi giữa bộ phát và bộ thu là khe hở thì bộ phát sẽ nhận được tín hiệu từ bộ thu(coi như mức 1).
Như vậy từ việc đếm số xung của Sensor S4 trên một đơn vị thời gian, ta sẽđo được tốc độ động cơ. Đồng thời các xung của Sensor S4 cũng được sử dụng để làm xung đồng bộ cho bộđếm để xác định góc hoặc vị trí của Rotor.
Sensor S1, S2, S3 được đặt lệch nhau các góc π/3. Như vậy tại một thời điểm chỉ có hai Sensor được chiếu sáng. Khi đĩa quay sẽ tạo ra ba xung vuông cách nhau các góc π /3. Nếu ta chỉnh đĩa quang học theo vị trí nam châm Rotor, ta sẽ thu được ba xung đồng bộ với sức điện động cảm ứng ở Stator.
Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Hình 2.3. Nguyên lý bộ cảm biến vị trí Rotor sử dụng encoder quang
2.3.3.2. Cảm biến vị trí sử dụng cảm biến Hall.
Năm 1879, Edwin Herbert Hall sau những thí nghiệm kiểm chứng nhận xét của Maxell rằng lực điện từ của từ trường đặt lên dây dẫn không tác động trực tiếp lên dòng điện mà tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đó, đã phát hiện ra rằng từ trường có thể làm thay đổi sự phân bố của dòng điện trong hầu hết các dây dẫn. Hiệu ứng này có thể được lý giải như sau: Dòng điện chạy trong dây dẫn chính là sự chuyển động của các hạt mang điện tích, khi chạy qua từ trường, các điện tích này chịu sự tác dụng của lực Lorentz nên sẽ bị đẩy về một trong hai phía của thanh dẫn. Sự tập trung các điện tích trái dấu ở hai phía của thanh dẫn gây ra hiệu điện thế Hall.
Hình 2.4. Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh kim loại
Người ta dựa vào hiệu ứng này để chế tạo các cảm biến Hall trong động cơ BLDC như sau: người ta cung cấp dòng điện chạy liên tục qua các cảm biến Hall, các cảm biến này được gắn cốđịnh so với Rotor của động cơ BLDC. Khi Rotor của động cơ BLDC quay, các nam châm được gắn trên đó quay theo, mỗi khi các cực của nam châm Rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, mật độ điện tích trong các thanh dẫn trong cảm biến Hall sẽ bị lệch theo một hướng, tùy theo đó là cực Bắc hay cực Nam (thực chất là tùy theo chiều của từ trường quét qua thanh dẫn). Việc đo hiệu điện thế giữa hai phía của thanh dẫn sẽ giúp ta biết được cực nào đang quét qua cảm biến, do đó có thể xác định được vị trí của Rotor. Tổ hợp các tín hiệu nhận được từ cảm biến Hall đưa về, ta sẽ tạo ra được các luật chuyển mạch cho động cơ.
Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Hình 2.5. Cấu trúc theo phương nằm ngang của động cơ BLDC
Hình (2.5) biểu diễn mặt cắt ngang của một động cơ BLDC với roto có gắn các nam châm vĩnh cửu. Các cảm biến Hall được gắn vào phần không chuyển động của động cơ. Do quá trình gắn các cảm biến Hall rất là phức tạp, nên trong một sốđộng cơ, người ta có thể gắn các nam châm phụ phục vụ cho riêng cảm biến Hall: chúng là các phiên bản thu nhỏ của các nam châm gắn trên Rotor, nên khi trục Rotor quay, chúng cũng đem lại tín hiệu như tín hiệu của các nam châm gắn trên Rotor.
Việc gắn các cảm biến Hall cũng tương tự như việc đặt các cảm biến quang trong encoder, các cảm biến có thể được đặt lệch nhau các góc π/3 hoặc 2π /3. Tín hiệu ra tương tự như tín hiệu ra của các cảm biến S1, S2, S3 của Encoder.
Cảm biến Hall yêu cầu phải có nguồn cấp với dải điện áp từ 4 đến 24V và dòng từ 5 đến 15mA. Đầu ra của cảm biến Hall thường là kiểu collector hở nên cần phải treo trở vào khi sử dụng.
2.4. Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC.
Bộ chuyển mạch về bản chất là bộ nghịch lưu bịđộng theo sức điện động của Stator.
Hình 2.6. Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC
Tùy thuộc vào số pha của động cơ mà bộ chuyển mạch điện tử có số van tương ứng. Hình (2.6) trên mô tả bộ chuyển mạch của động cơ BLDC ba pha, sử dụng sáu van công suất IGBT từ T1 đến T6 và các diode D1 đến D6 nhằm bảo vệ van chống điện áp ngược xuất hiện khi chuyển mạch, trao đổi công suất giữa nguồn và động cơ, tham gia vào quá trình chuyển mạch. Bộđiều khiển nhận biết tín hiệu từ cảm biến Hall đồng bộ với suất phản điện động của động cơ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển các van công suất dẫn theo các luật đã được xác định trước.
2.4.1. Nguyên lý hoạt động.
Việc chuyển mạch tuần tự của các van công suất dựa theo tín hiệu đồng bộ thu về từ bộ cảm biến vị trí sẽ cấp điện lần lượt cho các cuộn dây theo các chiều xác đinh trước, tạo ra một từ trường quay, tạm gọi là từ trường quay của Stator. Từ trường quay của Stator quét qua từ trường của nam châm vĩnh cửu gắn trên Rotor sinh ra mô men, kéo Rotor quay. Như vậy, chính sự tương tác giữa từ trường quay của Stator với từ trường của các nam châm trên Rotor là nguyên nhân sinh ra mô men quay của động cơ.
Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
2.4.2. Thứ tự chuyển mạch trong động cơ BLDC.
Mỗi một chu kì cơ có thể bao gồm một số chu kì điện, tùy thuộc vào số lượng cặp cực tương ứng được gắn trên Rotor động cơ. Do vậy, để tiện cho việc thuyết minh, ta sẽ sử dụng độđiện trong các thuyết minh dưới đây.
Hình 2.7. Sơđồ mô tả thứ tự cấp điện cho các pha của động cơ BLDC trong trường hợp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ
Hình (2.7) mô tả thứ tự cấp điện cho các cuộn dây trong động cơ BLDC đấu sao. Trong một chu kì điện, các van được luân phiên nhau dẫn tạo ra sáu trạng thái dẫn dòng cho động cơ. Để có được như vậy, người ta phải dựa vào tín hiệu của các cảm biến để đưa ra tín hiệu phát xung mở cho các van thích hợp. Quan hệ giữa các tín hiệu thu về từ cảm biến thông dụng nhất là cảm biến Hall và sức phản điện động, dòng điện pha được mô tả trong hình (2.8).
IC IA EC EB EA HALL3 HALL2 HALL1 Hình 2.8. Tín hiệu từ cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện pha
Cứ 60° điện thì các tín hiệu đưa về từ cảm biến Hall sẽ thay đổi một lần, như vậy trong một chu kì điện, các cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái tổng cộng là sáu lần tương ứng với sáu lần chuyển mạch của các van công suất.
Chương 2: Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Động cơ có thể quay thuận, quay ngược và ứng với các trường hợp đó ta sẽ phải cấp xung mở theo thứ tự khác nhau trong một chu kì điện cho các van công suất.
Bảng 2.2. Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
Thứ tự
Đầu vào các cảm biến Hall Các van dẫn Dòng điện các pha sau bộ nghịch lưu 1 2 3 A B C 1 0 0 1 T1 T2 DC+ - DC- 2 1 0 1 T3 T2 - DC+ DC- 3 1 0 0 T3 T4 DC- DC+ - 4 1 1 0 T5 T4 DC- - DC+ 5 0 1 0 T5 T6 - DC- DC+ 6 0 1 1 T1 T6 DC+ DC- -