Stator của động cơđiện DC dùng để tạo ra từtrường tĩnh. Từ trường này có thể được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc bởi nam châm điện sử dụng một cuộn dây từtrường. Rotor bao gồm một lõi thép kỹ thuật có các rãnh đặt cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều. Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Hình 3. 13: Cấu tạo động cơ DC
Động cơ điện DC có một số hạn chế về việc tạo từ trường yếu, vì vậy động cơ DC PME được sử dụng phổ biến đểđạt được số vòng quay cao hơn. Mô-men xoắn của động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện cấp nguồn, nên việc điều khiển dễ dàng hơn. Việc làm mát của các cuộn dây rotor rất khó và quán tính cao của rotor hạn chế nên động cơđiện Dc chỉđược sử dụng đối với các hệ thống lái công suất thấp. Mật độ công suất của động cơ điện một chiều thấp hơn động cơ điện xoay chiều vì tổn hao và không gian bố trí cổ góp. Việc phát sinh tia lửa điện do chổi than và bảo dưỡng động cơđòi hỏi yêu cầu cao. Một số loại động cơđiện DC sử dụng nam châm vĩnh cửu từ Ferit cứng rẻ tiền. Chúng không đạt được mật độ năng lượng từtrường nhưnam châm đất hiếm như samarium-coban (SmCo) hoặc
cơ là phần stator của động cơ. Rotor bao gồm các tấm kim loại được xếp chồng lên nhau và được cách ly về điện để giảm tổn thất sắt do dòng điện xoáy và khử từ. Đểđạt được độ gợn mô-men xoắn thấp và mô-men xoắn nhỏ, cuộn dây được bốtrí đến càng nhiều rãnh của lõi rotor càng tốt và được kết nối với nhiều thanh cổgóp tương ứng. Hệ thống cổ góp gồm chổi than với dây dẫn chổi than carbon được hỗ trợ bằng lò xo. Động cơ DC điển hình cho hệ thống EPS là động cơ 4 cực với hai hoặc 4 dây dẫn chổi than và 22 thanh cổ góp.
3.2.3. Động cơkhông đồng
Động cơkhông đồng bộ(ASM) là động cơ xoay chiều 3 pha, có cấu tạo đơn giản, an toàn vận hành cao và khảnăng chịu lực cao. Điều này đạt được là do rotor là rotor lồng sóc, không chứa các bộ phận bổsung như cuộn dây hoặc nam châm. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn được bố trí song song với trục trong một tấm kim loại. Chúng được nối ngắn mạch ở phía trước bởi các vòng (lồng sóc). Stator thường được trang bị cuộn dây ba pha tạo ra từtrường quay. Trường quay tạo ra dòng điện trong lồng sóc của rotor, tuân theo định luật Lenz, tác động ngược trở lại stator và do đó tạo ra mômen xoắn trên trục rotor. Do cuộn dậy stator được bố trí trên một vỏđúc đặc có những khe hở giải nhiệt cho mô tô. Cuộn dây ba pha được làm bằng dây đồng rắn chắc cho kết cấu động cơ rất chắc chắn, phân bố trên chu vi của động cơ. Rotor cũng chứa một lõi, để giảm tổn thất dòng điện xoáy. Nhôm đúc trong các rãnh của nó tạo nên lồng sóc. Khe hở không khí giữa stator và rotor phải được giữ rất nhỏđểđạt giảm dòng điện từ hóa, do đó, cao hiệu suất động cơ.
Động cơkhông đồng bộ có rotor lồng sóc nên không phát điện như động cơ điện DC . Do đó, không cần phải có biện pháp an toàn bổsung nào để ngắt nguồn điện trong hệ thống EPS. Động cơ điện không động bộ 3 pha có dao động mô- men xoắn thấp và hoạt động không phát sinh tiến ồn cao so với động cơ điện một chiều dao động cơ học. Động cơ điện không đồng bộ có công suất cao hơn và ngược lại với động cơđiện một chiều có nam châm vĩnh cửu, động cơkhông đồng bộ có thểđược hoạt động với trường suy yếu.
Hình 3. 14: Cấu tạo động cơ không động bộ 3 pha
3.2.4. Động cơđồng bộ
Cũng giống như động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ thuộc nhóm động cơ xoay chiều 3 pha, hoạt động với cuộn dây 3 pha được cấp nguồn bằng dòng điện. Rotor bao gồm một tấm kim loại điện phân tầng và dùng để tạo ra từtrường độc lập với công suất của stator.
Ngoài ra, động cơđiện một chiều không chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu là một dạng của động cơ đồng bộ (Động cơ đồng bộ PME / PMSM). Động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia thành 2 loại: Động cơ (sóng) hình sinvà động cơ (sóng) hình thang. Dây quấn stator tương tự như dây quấn stator của động cơ xoay chiều nhiều pha và rotor bao gồm một hay nhiều nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó kết hợp một vài cảm biến để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử.
Động cơ BLDCđược sử dụng như một động cơ tựđiều khiển cho bộ truyền động nhanh trong ngành công nghiệp ô tô. Hiện nay, các động cơ BLDC được sử dụng nhiều trên các hệ thống lái EPS.
Hình 3. 15: Cấu tạo động cơ điện một chiều không chổi than
Để tránh được tiêu hao công suất và nhiễu mômen do dòng điện tròn trong cuộn dây động cơ bằng cách dấu cuộn động cơ đồng bộ theo kiểu đấu nối sao. Các cuộn dây được phân bố thành các rãnh stator khác nhau. Động cơ 6, 8 và 10 cực có từ9 đến 12 rãnh stator thường dùng trên hệ thống lái EPS.
Hình 3. 16: Số cực rotor và số cuộn dây trên stator
Nam châm đất hiếm năng lượng cao neodymium-iron-boron (NeFeB) được sử dụng làm vật liệu tạo từ trường cho rotor. Nam châm được gắn rất chắc chắn như dạng nam châm khối, hoặc trong các khối riêng lẻ của lõi bảo vệ bởi lớp vỏ hoặc trên bề mặt của lõi rotor dưới dạng nam châm vòng hoặc phân đoạn. Động
cơ sử dụng nam châm bề mặt có thêm một lớp bảo vệ bên ngoài rotor để ngăn chặn sự giòn nam châm.
Hình 3. 17: Vịtrí nam châm trong rotor động cơ điện một chiều không chổi than
Động cơđiện một chiều không chổi than điều khiển từtrường cuộn dây stator cho phép điều khiển chính xác tốc độ và số vòng quay. Ngoài ra, động cơ có thể hoạt động ở chế độ suy yếu trường nếu nam châm đủ mạnh, do đó động cơ hoạt động trên mức tốc độ định danh. Công suất đầu ra ổn định, phù hợp cho hệ thống lái trên dải tốc độ rất rộng.
So với động cơ không đồng bộ, PMSM có dải hoạt đông công suất cao hơn và hiệu suất tốt hơn. Động cơ đồng bộ có mômen quán tính rotor thấp hơn động cơ điện một chiều và động cơ không đồng bộ. Một đường vát trên rotor hoặc stato giúp giảm mô-men xoắn để phù hợp với yêu cầu hệ thống lái EPS.
3.2.5. Cảm biến vị trí động cơ điện 3.2.5.1. Đếm xung điện từ
Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ bộ phân giải xác định số vòng quay động cơ bao gồm một cuộn dây gắn trên stator động cơ và một nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor. Khi động cơ điện quay trên cuộn dây stator xuất hiện suất điện
động cảm ứng khi từ thông gửi qua một mạch kín biến thiên. Bộ vi điều khiển phân tích, tính toán xác định được sốvòng quay động cơđiện.
Hình 3. 18: Cấu tạo bộđếm sốvòng quay động cơ điện
Phương pháp đo này phù hợp với động cơ điện DC sử dụng chổi than và động cơ điện AC không đồng bộ.
3.2.5.2. Cảm biến góc quay
Đối với động cơ điện một chiều không chổi than dựa vào từ trường của lõi rotor xác định được vị trí góc quay của rotor. Các hãng sản xuất thường sử dụng cảm biến Hall phát hiện số vòng quay. Cảm biến Hall dựa trên phép đo mật độ từ thông, tức là cường độ của từ trường đặt đối diện với cảm biến.
Một số hãng sản xuất động cơ điện sử dụng cảm biến từ trường(MR) vì độ chính xác của phép đo không phụ thuộc vào cường độ từ trường và do đó, không phụ thuộc vào nhiều thông số như nhiệt độ, biên dạng dung sai cơ học… Tuy nhiên, góc phát hiện từ trường của cảm biến MR có 1800.
Hình 3. 19: Phương pháp đo của cảm biến từtrường MR
Hiện nay, trên một số hệ thống lái EPS đang sử dụng cảm biến từ trường AMR với góc phát hiện từtrường lớn 3600 hoạt động giống cảm biến MR.
3.3. Cảm biến mômen xoắn 3.3.1. Phân loại và yêu cầu
Một trong những cảm biến quan trọng nhất của hệ thống EPS là cảm biến mô-men xoắn trên trục lái. Nó được đo ở trục đầu vào của hệ thống lái. Dựa trên mômen lái đo được, bộđiều khiển hệ thống lái EPS xác định góc đánh lái và điều khiển động cơ EPS phù hợp.
Hệ thống lái EPS ảnh hưởng đến cảm giác lái nên giá trịđược của mô men phải chính xác, đáp ứng độ phân giải cao và giá trịđo với độ tin cậy tuyệt đối. Giá trịđo bị sai lệch dẫn đến việc hệ thống điều khiển động cơ EPSkhông đúng và có thể mất kiểm soát hệ thống lái.
Các yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất đối với cảm biến mô-men xoắn của hệ thống EPS hiện đại được liệt kê như sau:
• Độ tin cậy cao nhất
• Phạm vi đo mô-men xoắn hoạt động khoảng. ± 10 Nm • Độ phân giải tín hiệu cao và độ chính xác của phép đo. • Xử lý tín hiệu với độ trễ ít
• tuổi thọ cao, không cần phải bảo dưỡng trong thời gian dài. • Hệ thống có khảnăng tự chẩn đoán, chống nhiễu với hộp ECU.
• Dải nhiệt độ−40 đến +850C cho các hệ thống lái (EPSc) và −40 đến +1250C cho các ứng dụng khoang động cơ.
• Chống bám bụi, rung động, mài mòn.
Cảm biến mô-men xoắn có thểđược phân loại theo cấu tạo của chúng gồm: cảm biến có thanh xoắn và cảm biến không có thanh xoắn. Yêu cầu thanh xoắn của cảm biến chịu lực xoắn trên mỗi góc quay, cảm biến chuyển đổi giá trị đo mômen xoắn thành giá trị góc xoay. Độ cứng của thanh xoắn trong các hệ thống EPS hiện đại là từ 2 đến 2,5 Nm trên mỗi độ góc xoắn (2 –2,5 Nm/0). Độ xoắn
Bảng 3. 1: Phân loại cảm biến mô men xoắn
Cảm biến mô men xoắn Cấu tạo cảm biến Sử dụng thanh xoắn Không sử dụng thanh xoắn Đặc điểm đo Góc xoắn Biến dạng bề mặt Ứng suất Phương pháp đo
Tuyến tính Đo sức căng Từ tính Cảm ứng Bộ cộng hưởng LC
Từ tính Bộ cộng hưởng SAW Quang
3.3.2. Cảm biến mô men với thanh xoắn
3.3.2.1. Cảm biến mô men xoắn loại tuyến tính
Phương pháp đo mô men xoắn sử dụng loại tuyến tính được sử dụng trên hệ thống lái EPS đầu tiên. Tuy nhiên, cảm biến này chỉ được sử dụng cho các hệ thống giá rẻ trong phân khúc xe nhỏ. Nguyên nhân chính là giá trịđo có thể bị sai lệch do bị mài mòn hoặc không tiếp xúc, khảnăng chịu tải cơ học hạn chế và nhạy cảm với bụi bẩn.
Nguyên lý đo dựa cấu tạo bởi con trượt và các cực điện. Trong đó, con trượt sẽ được điều chỉnh quay dọc theo chiều điện trở. Cảm biến mô-men xoắn trong hệ thống EPS sử dụng 2 con trượt và một số tiếp điểm trượt song song cho nguồn cấp tín hiệu ổn định hơn. Phương pháp đo tuyến tính phân tích tỷ lệ dễ dàng hơn và không phụ thuộc tuyệt đối vào giá trị điện trở và nhiễu nhiệt độ. Hơn nữa, Phương pháp đo mô men xoắn loại tuyến tính cung cấp giá trịđiện áp cao, do đó không cần thêm bộ khuếch đại và xử lý tín hiệu.
3.3.2.2. Cảm biến mô men xoắn loại cảm ứng
Cảm biến mô men xoắn cảm ứng là một loại cảm biến từ trường, dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Ưu điểm chính của phương pháp do cảm ứng là cảm biến chịu được các tác động bên ngoài như bụi bẩn, dầu và nước. Cảm biến cảm ứng có thể hoạt động đáng tin cậy trong nhiều loại môi trường.
Khi người lái xe điều khiển vô lăng, mô men lái tác động lên trục sơ cấp của cảm biến mô men thông qua trục lái chính. Người ta bố trí các vòng phát hiện 1 và 2 trên trục sơ cấp (phía vô lăng) và vòng 3 trên trục thứ cấp (phía cơ cấu lái).
Hình 3. 20: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn cảm ứng trên ô tô
Trục sơ cấp và trục thứ cấp được nối bằng một thanh xoắn. Các vòng phát hiện có cuộn dây phát hiện kiểu không tiếp xúc trên vòng ngoài để hình thành một mạch kích thích. Khi tạo ra mô-men lái thanh xoắn bị xoắn tạo độ lệch pha giữa vòng phát hiện 2 và 3. Dựa trên độ lệch pha này, một tín hiệu tỷ lệ với mô men vào được đưa tới ECU. Dựa trên tín hiệu này, ECU tính toán mô men trợ lực cho tốc độ xe và dẫn động động cơ điện.
Hiện nay, một số hãng xe sử dụng cảm biến mô men xoắn cảm ứng loại 2 cuộn dây. cuộn dây phát, cuộn dây thu và rotor bao gồm một vật liệu dẫn điện.
Dòng điện xoay chiều trong cuộn dây phát tạo ra từ trường biến đổi. Rotor được bố trí đối diện nên xuất hiện dòng điện xoay chiều. Dòng điện trong rotor tạo ra trường điện từ khác gây ra điện áp trong cuộn dây thu. Hình dạng và vị trí đặc biệt của cuộn dây phát, rotor và cuộn dây thu làm cho khớp nối điện từ giữa cuộn dây phát và rotor không phụ thuộc vào vị trí của rotor, trong khi phản hồi từ
rotor đến máy thu phụ thuộc vào vị trí của rotor. Điện áp cảm ứng trong các cuộn dây thu được so sánh với điện áp nguồn (phân tích tín hiệu tỷ lệ) xác định góc lái.
Hình 3. 21: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn cảm ứng loại 2 cuộn dây
3.3.2.3. Cảm biến mô men xoắn loại từ tính
Cảm biến mô men xoắn loại từ tính khác với cảm biến tuyến tính, cảm biến cảm ứng. Cảm biến từ tính sử dụng từtrường tĩnh được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu và đi qua một hoặc một số cảm biến phụ thuộc vào từ trường. Một số cảm biến nhận biết từtính như: Cảm biến Hall và cảm biến MR được sử dụng xác định góc xoắn.
Sốlượng nam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào độ cứng của thanh xoắn trong các hệ thống EPS. Nếu thanh xoắn có độ góc xoắn (2 Nm/0) và dải đo ± 10 Nm cần có dải đo góc ± 5˚.
Hình 3. 22: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn loại từ tính
3.3.2.4. Cảm biến mô men xoắn loại quang
Cảm biến quang bao gồm một bộ phận phát sáng LED và một bộ phận thu quang. Đĩa cảm biến xẻ rãnh được gắn trên thanh xoắn. Độ phân giải tín hiệu phụ thuộc vào số rãnh trên đĩa cảm biến. Ánh sáng do đèn LED tạo ra được dẫn bởi một bộ dẫn sáng bằng sợi quang và hai tấm khung dẫn, được bố trí trên một thanh xoắn tới một mảng diode quang tích hợp. Khi thanh xoắn quay làm thay đổi vị trí đĩa cảm biến, bộ phận thu quang phát hiện ra vị trí thanh xoăn thông qua cường độsáng LED. Các hãng ô tô thường chế tạo cảm biến mô men xoắn lọa quang với 2 bộ phận thu phát độc lập đểđảm bảo an toàn.
Tuy nhiên, do các điều kiện rất khắc nghiệt và do độ nhạy với bụi bẩn và khảnăng chịu tải cơ học hạn chế, các cảm biến này chỉ có thểđược sử dụng trong một sốtrường hợp hạn chế.
Hình 3. 23: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn loại quang
3.3.3. Cảm biến mô men xoắn không sử dụng thanh xoắn