Cấu tạo động cơ một chiều không chổi than giống như động cơ xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu. Hình 2.4 trình bày cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình.
14
Hình 2.4. Cấu tạo động cơ BLDC
Động cơ gồm rotor là nam châm vĩnh cửu (permanent magnet rotor), các cuộn dây stator (windings) và bộ cảm biến vị trí (Hall elements).. Điểm khác biệt duy nhất giữa động cơ BLDC và động cơ xoay chiều đồng bộ là nó tích hợp thiết bị đo nhằm xác định vị trí rotor (hay vị trí cực từ) nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử.
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC [13] Cấu tạo chung của động cơ BLDC bao gồm:
a. Stator
Khác với stator của động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ BLDC chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng có thể là hai pha, ba pha hay
Mạch Logic Động cơ Cảm biến vị trí Chuyển mạch
15
nhiều pha nhưng thường gặp nhất là dây quấn ba pha. Dây quấn ba pha có hai kiểu nối dây là nối hình sao và nối hình tam giác tương tự như động cơ điện xoay chiều ba pha.
b. Rotor
Rotor được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh nam châm vĩnh cửu. Có nhiều dạng bố trí nam châm trên bề mặt rotor như chỉ ra ở hình 2.6. Ở những động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, người ta thường chế tạo trục của động cơ có dạng trụ rỗng.
Hình 2.6. Các dạng rotor của động cơ BLDC
c. Bộ cảm biến vị trí rotor
Nhiệm vụ bộ cảm biến vị trí rotor là tạo ra tín hiệu đồng bộ sức phản điện động phục đóng ngắt các van bán dẫn ở bộ chuyển mạch điện tử đáp ứng nhu cầu đặc tính làm việc của động cơ. Có nhiều loại cảm biến vị trí rotor nhưng đều thiết kế dựa trên một trong các nguyên lý cơ bản như điện từ (máy phát đồng bộ xoay chiều), quang điện (encoder) và cảm biến theo hiệu ứng Hall. Sau đây ta tìm hiểu hai loại cảm biến sử dụng nguyên lý quang điện và hiệu ứng Hall.
Cảm biến quang điện:
16
Hình 2.7. Nguyên lý cảm biến vị trí rotor kiểu quang điện
Trên hình 2.7a là cấu trúc đĩa quang học gồm bốn sensor: S4 đo số xung tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ, số răng cửa của đĩa được chia theo mã nhị phân dạng 2n (n=8,9,10…). Xung đo được từ S4 phục vụ như tín hiệu phản hồi tốc độ đồng thời cũng là xung đồng hồ cho bộ đếm để xác định góc hoặc vị trí của rotor. Ba sensor S1, S2, S3 được đặt lệch nhau góc 600. Màn chắn sáng là hai khe vòng cung đối xứng nhau có độ dài góc chắn cung 900. Như vậy tại một thời điểm chỉ có hai trong ba sensor này được chiếu sáng. Khi đĩa quay sẽ tạo ra ba xung vuông trễ pha nhau một
Vị trí 0
17
góc 1200. Nếu ta chỉnh đĩa quang học theo vị trí nam châm rotor ta sẽ thu được ba xung đồng bộ với sức phản điện trên ba cuộn dây quấn trên stator. Hình 2.7b là dạng sóng của bộ cảm biến vị trí rotor theo nguyên lý quang điện. Bốn tín hiệu từ bốn cảm biến đưa ra qua bộ giải mã vị trí rotor cho ra tín hiệu phục vụ quá trình đóng ngắt các van điện từ điều khiển việc cấp nguồn cho các pha động cơ.
Cảm biến vị trí rotor sử dụng hiệu ứng Hall
Hình 2.8. Tín hiệu Hall và pha dòng, pha sức phản điện [2]
Cảm biến Hall hoạt động dựa trên nguyên lý Hall do Edwin Herbert Hall tìm ra năm 1879. Theo đó hiệu điện thế giữa hai mặt đối diện của chất dẫn điện đang có dòng chạy qua sẽ thay đổi nếu từ trường của nó thay đổi. Người ta đã sử dụng hiệu ứng này để tạo ra các cảm biến Hall gắn trên động cơ BLDC. Thông thường mỗi động cơ BLDC có ba cảm biến Hall đặt lệch nhau một góc 600 hoặc 1200. Dòng điện được cấp liên tục cho các cảm biến Hall thông qua một mạch điện độc lập với mạch điện phần ứng. Khi rotor của động cơ quay nó sinh ra từ trường quay. Từ
Ph a a Pha c Ph a b
pha EMF pha dòng ia Hall
0 60 120 180 240 300 360
1 2 3 4 5 6
18
trường quay này quét qua các cảm biến Hall sinh ra mức điện áp ứng với trạng thái 0 hay 1 tùy thuộc vào vị trí của rotor.
Như trên hình 2.8 ta thấy tín hiệu cảm biến Hall của pha a, b, c theo thứ tự từ trên xuống dưới. Từ tín hiệu từ ba cảm biến Hall ta xác định được pha của dòng điện cũng như pha của sức phản điện các pha. Các tín hiệu này được sử dụng trong thuật toán điều khiển động cơ.