BÀI 6: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
6.2. Động cơ một chiều công suất nhỏ
6.2.1. Động cơ một chiều không tiếp xúc (BLDC) 1. Cấu tạo
Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần chính sau:
+ Động cơ không chổi than - cổ góp với cuộn ứng m – pha trên stato và rôto kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
+ Cảm biến vị trí rôto (cảm biến Hall), đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều.
+ Bộ đổi chiều không tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn ứng trên stato theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôto.
Hình 6.13. Cấu tạo động cơ BLDC
2. Nguyên lý làm việc
Xét động cơ một chiều không tiếp xúc có 3 cuộn dây trên stato có trục lệch nhau 1200, roto nam châm vĩnh cửu có 1 cặp N-S như hình 6.14.
Hình 6.14. Sơ đồ nguyên lý động cơ BLDC 3 cuộn dây
Điều khiển động cơ BLDC bằng cách chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha theo một thứ tự và vào những thời điểm nhất định.
Mômen quay được tạo ra là do sự tương tác giữa hai từ trường: từ trường do nam châm rôto tạo ra và từ trường tổng do dòng điện trong các cuộn dây pha tạo ra.
Xu hướng của rôto là quay đến vị trí sao cho hai vectơ từ trường tổng trùng nhau.
Mômen quay đạt giá trị lớn nhất là khi hai từ trường vuông góc với nhau.
Trong quá trình hoạt động, tại một thời điểm chỉ có hai cuộn dây pha được cấp điện, cuộn dây thứ ba không được cấp điện, và việc chuyển mạch dòng điện từ cuộn dây này sang cuộn dây khác sẽ tạo ra từ trường quay và làm cho rôto quay theo.
Như vậy, thứ tự chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha phải căn cứ vào chiều quay của rôto.
Thời điểm chuyển mạch dòng điện từ pha này sang pha khác được xác định sao cho mômen đạt giá trị lớn nhất và đập mạch mômen do quá trình chuyển mạch dòng điện là nhỏ nhất.
Động cơ BLDC có ba cảm biến Hall được đặt trên stato được đặt lệch nhau một góc 1200. Khi các cực của nam châm trên rôto chuyển động đến vị trí cảm biến Hall thì đầu ra của cảm biến có mức logic cao hoặc thấp, tuỳ thuộc vào cực nam châm là N hay S. Dựa vào tổ hợp các tín hiệu logic của ba cảm biến để xác định trình tự và thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các cuộn dây pha stato.
Giả sử vị trí của roto như hình vẽ và cảm biến Hall pha A ở mức cao, pha B, C ở mức thấp. Khi đó dòng điện sẽ đi vào cuộn dây pha A, đi ra cuộn dây pha C, cuộn pha B không có điện. Roto sẽ định hướng theo trục từ trường tổng của pha A và C. Khi roto quay được 600 thì cảm biến Hall pha A, B ở mức cao, pha C ở mức thấp. Bộ điều khiển sẽ cắt dòng pha A, cấp dòng cho pha B, C làm roto tiếp tục quay. Quá trình được thực hiện tuần tự cho pha B và C rồi lặp lại từ đầu.
Quan sát hình trên ta thấy, thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà một trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic. Cũng từ hình trên thấy rằng trong một chu kỳ điện có sáu sự chuyển mức logic của ba cảm biến Hall. Do đó trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch sáu bước.
Việc gắn các cảm biến Hall trên stato là một quá trình phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao. Việc lắp các cảm biến Hall trên stato không chính xác sẽ dẫn đến những sai số khi xác định vị trí rôto. Để khắc phục điều này, một số động cơ có thêm các nam châm phụ trên rôto để phục vụ cho việc xác định vị trí rôto. Các nam châm phụ này được gắn như các nam châm chính nhưng nhỏ hơn và thường được gắn trên phần trục rôto nằm ngoài các cuộn dây stato để tiện cho việc hiệu chỉnh. Kết cấu như vậy giống như cơ cấu chổi than - cổ góp trong động cơ một chiều truyền thống.
6.2.2. Động cơ DC servo 1. Cấu tạo
Hình 6.15. Cấu tạo động cơ DC servo
Một động cơ DC servo tiêu biểu gồm có các thành phần chính sau:
+ Stator: được gắn liền với vỏ động cơ + Rotor: là thành phần tạo chuyển động quay
+ Chổi than (Brush) và vành góp: giúp đưa điện vào Rotor
+ Encoder: hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vị tính (xung/vòng).
+ Mạch điều khiển: Nhận tín hiệu vị trí và vận tốc từ Encoder để hiệu chỉnh động cơ đến điểm làm việc chính xác.
Ngoài ra, DC servo còn có thể có thêm các thành phần sau:
+ Phanh điện từ: giúp hãm động cơ trong trường hợp cần thiết.
+ Tachogenerator : là thành phần phản hổi tương tự, thực chất là một máy phát điện nhỏ, với điện áp phản hồi được tính bằng (vol/vòng quay).
2. Nguyên lý làm việc
Xét sơ đồ động cơ DC servo như hình 6.16.
Khối điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ bộ Encoder của động cơ DC servo, tín hiệu điều khiển chiều, tín hiệu cài đặt thông số của các biến trở xoay, vi điều khiển PIC16F877A điều khiển hoạt động của động cơ DC servo.
Hình 6.16. Cấu trúc động cơ DC servo
Mạch đệm nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển, IC khuếch đại thuật toán LM324 kiểm tra tính đúng/sai của tín hiệu, cấp tín hiệu điều khiển cho các transistor khuếch đại, thông qua các bộ ghép quang cách ly (optocouple), tín hiệu này được đưa đến mạch công suất. Tín hiệu điều khiển sau khi được đưa qua các optocouple cách ly, được đưa đến tầng công suất. Tín hiệu này sẽ ra lệnh mở các MOSFET theo một logic đã định trước theo nguyên lý biến điệu độ rộng xung (PWM), điều khiển đóng, mở điện vào động cơ điện, điều khiển tốc độ và chiều của động cơ điện.
Câu hỏi
Câu 1: Tại sao phần ứng của máy điện một chiều (có chổi than) phải được chế tạo từ thép kỹ thuật điện? Nhiệm vụ của cơ cấu chổi than-vành góp là gì?
Câu 2: Trình bày nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều.