หลักการทำงานของมอเตอร์กระแสตรง

เครื่องจักรกลไฟฟ้ากระแสตรง (เครื่อง DC) หมายถึงมอเตอร์หมุนที่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าจากไฟฟ้ากระแสตรงเป็นพลังงานกล (เป็นมอเตอร์กระแสตรง) หรือแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง) เป็นมอเตอร์ชนิดหนึ่งที่อำนวยความสะดวกในการแปลงร่วมกันระหว่างพลังงานไฟฟ้าและพลังงานกล เมื่อทำงานเป็นมอเตอร์จะทำหน้าที่เป็นมอเตอร์กระแสตรงเพื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เมื่อทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงโดยแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า

 

โครงสร้างองค์ประกอบ

โครงสร้างของมอเตอร์กระแสตรงควรประกอบด้วยสองส่วนหลัก: สเตเตอร์และโรเตอร์ ส่วนที่อยู่กับที่ของมอเตอร์กระแสตรงระหว่างการทำงานเรียกว่าสเตเตอร์ หน้าที่หลักของสเตเตอร์คือการสร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งประกอบด้วยฐานมอเตอร์ ขั้วแม่เหล็กหลัก เสาถอยหลัง ฝาปิดท้าย แบริ่ง และอุปกรณ์แปรง ส่วนที่หมุนระหว่างการทำงานเรียกว่าโรเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่สร้างแรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ เป็นศูนย์กลางสำหรับการแปลงพลังงานในมอเตอร์กระแสตรง ดังนั้นจึงมักเรียกว่ากระดอง ซึ่งประกอบด้วยเพลา แกนกระดอง ขดลวดกระดอง สับเปลี่ยน และพัดลม

 

ขั้วแม่เหล็กหลัก

หน้าที่ของขั้วแม่เหล็กหลักคือการสร้างสนามแม่เหล็กช่องว่างอากาศ ขั้วแม่เหล็กหลักประกอบด้วยสองส่วน: แกนเหล็กขั้วแม่เหล็กหลักและขดลวดกระตุ้น แกนเหล็กโดยทั่วไปทำจากแผ่นเหล็กซิลิกอนหนา 0.5 มม. ถึง 1.5 มม. ซึ่งถูกกดและตรึงเข้าด้วยกัน แบ่งออกเป็นสองส่วน: ตัวเสาและรองเท้าเสา ส่วนที่อยู่ด้านบนของขดลวดกระตุ้นเรียกว่าตัวเสา และส่วนที่ด้านล่างซึ่งกว้างขึ้นเรียกว่ารองเท้าเสา รองเท้าขั้วโลกกว้างกว่าตัวเสาซึ่งสามารถปรับการกระจายของสนามแม่เหล็กในช่องว่างอากาศและอำนวยความสะดวกในการยึดขดลวดกระตุ้น ขดลวดกระตุ้นทำจากลวดทองแดงหุ้มฉนวนและพันรอบแกนขั้วแม่เหล็กหลัก ขั้วแม่เหล็กหลักทั้งหมดถูกยึดเข้ากับฐานเครื่องด้วยสกรู

เสาถอยหลัง

หน้าที่ของเสาถอยหลังคือการปรับปรุงการสับเปลี่ยนและลดประกายไฟในการสับเปลี่ยนที่เป็นไปได้ระหว่างแปรงไฟฟ้าและตัวสับเปลี่ยนระหว่างการทำงานของมอเตอร์ โดยทั่วไปจะติดตั้งระหว่างขั้วแม่เหล็กหลักสองขั้วที่อยู่ติดกัน และประกอบด้วยแกนเหล็กขั้วกลับและขดลวดขั้วกลับ ขดลวดขั้วย้อนกลับทำจากลวดหุ้มฉนวนพันรอบแกนเหล็กขั้วย้อนกลับ และจำนวนขั้วย้อนกลับเท่ากับขั้วแม่เหล็กหลัก

 

ฐานเครื่อง

เปลือกด้านนอกของสเตเตอร์ของมอเตอร์เรียกว่าฐาน หน้าที่ของฐานเครื่องมีสองเท่า:

ขั้วหนึ่งใช้ยึดขั้วแม่เหล็กหลัก ขั้วถอยหลัง และฝาปิดท้าย และเพื่อรองรับและยึดมอเตอร์ทั้งหมด

ประการที่สอง ฐานเครื่องเองก็เป็นส่วนหนึ่งของวงจรแม่เหล็กซึ่งสร้างเส้นทางแม่เหล็กระหว่างขั้วแม่เหล็ก ส่วนที่ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านเรียกว่าแอกแม่เหล็ก เพื่อให้แน่ใจว่าฐานเครื่องจักรมีความแข็งแรงเชิงกลเพียงพอและมีค่าการนำแม่เหล็กที่ดี โดยทั่วไปแล้วจะทำจากเหล็กหล่อหรือเชื่อมจากแผ่นเหล็ก

 

อุปกรณ์แปรงไฟฟ้า

อุปกรณ์แปรงไฟฟ้าใช้ในการแนะนำหรือแยกแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสไฟฟ้ากระแสตรง อุปกรณ์แปรงไฟฟ้าประกอบด้วยแปรงไฟฟ้า ที่ใส่แปรง ก้านแปรง และที่ยึดก้านแปรง แปรงไฟฟ้าวางอยู่ในที่วางแปรงและบีบอัดด้วยสปริงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเลื่อนสัมผัสที่ดีระหว่างแปรงกับตัวสับเปลี่ยน ที่วางแปรงยึดอยู่กับแกนแปรงซึ่งติดตั้งอยู่บนที่นั่งก้านแปรงทรงกลมและจะต้องหุ้มฉนวนจากกัน มีการติดตั้งที่นั่งก้านแปรงไว้ที่ฝาปิดท้ายหรือฝาครอบด้านในของแบริ่งและสามารถปรับตำแหน่งเส้นรอบวงได้ หลังจากปรับแล้วก็จะได้รับการแก้ไข

 

(1) แกนเหล็กกระดอง

แกนกระดองเป็นส่วนหลักของวงจรแม่เหล็กหลักและใช้ในการฝังขดลวดกระดอง แกนเหล็กกระดองทั่วไปทำจากแผ่นเหล็กซิลิกอนหนา 0.5 มม. ที่เจาะและเคลือบเพื่อลดกระแสไหลวนและการสูญเสียฮิสเทรีซิสที่เกิดขึ้นในแกนเหล็กกระดองระหว่างการทำงานของมอเตอร์ แกนเหล็กที่ซ้อนกันได้รับการแก้ไขบนเพลาหรือโครงยึดโรเตอร์ วงกลมด้านนอกของแกนเหล็กมีช่องกระดองซึ่งมีขดลวดกระดองฝังอยู่

(2) ขดลวดกระดอง

หน้าที่ของขดลวดกระดองคือการสร้างแรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ และเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับการแปลงพลังงานในมอเตอร์กระแสตรง ดังนั้นจึงเรียกว่ากระดอง ประกอบด้วยขดลวดจำนวนมาก (ต่อไปนี้จะเรียกว่าส่วนประกอบ) เชื่อมต่อกันตามกฎเกณฑ์บางประการ ขดลวดถูกพันด้วยลวดเคลือบที่มีความแข็งแรงสูง-หรือลวดทองแดงแบนที่พันด้วยใยแก้ว ขอบคอยล์ของคอยล์ต่างๆ จะถูกแบ่งออกเป็นชั้นบนและชั้นล่าง และฝังอยู่ในช่องกระดอง ฉนวนระหว่างคอยล์กับแกนเหล็ก รวมถึงระหว่างขอบคอยล์บนและล่าง จะต้องได้รับการดูแลอย่างเหมาะสม เพื่อป้องกันไม่ให้แรงเหวี่ยงเหวี่ยงขอบคอยล์ออกจากช่อง ช่องจะถูกยึดด้วยเวดจ์ของช่อง ส่วนเชื่อมต่อปลายของคอยล์ที่ยื่นออกมาจากช่องจะถูกมัดด้วยเทปแก้วที่ไม่ทอด้วยเทอร์โมเซตติง-

 

(3) สับเปลี่ยน

ในมอเตอร์กระแสตรง ตัวสับเปลี่ยนจะติดตั้งแปรงไฟฟ้า ซึ่งสามารถแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงภายนอกให้เป็นกระแสสลับในขดลวดกระดอง ทำให้ทิศทางของแรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าคงที่ ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ตัวสับเปลี่ยนจะติดตั้งแปรงไฟฟ้า ซึ่งสามารถแปลงแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระแสสลับที่เกิดขึ้นในขดลวดกระดองให้เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าโดยตรงที่ดึงมาจากแปรงไฟฟ้าบวกและลบ สับเปลี่ยนคือร่างกายทรงกระบอกที่ประกอบด้วยส่วนสับเปลี่ยนหลายส่วนซึ่งมีฉนวนด้วยแผ่นไมก้าระหว่างส่วนเหล่านั้น

 

(4) เพลาหมุน

เพลามีบทบาทสนับสนุนในการหมุนของโรเตอร์ และต้องมีความแข็งแรงทางกลและความแข็งในระดับหนึ่ง โดยทั่วไปจะแปรรูปจากเหล็กกลม

หมวดหมู่หลัก

 

(5) เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นเครื่องจักรที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง ส่วนใหญ่จะใช้เป็นแหล่งพลังงานกระตุ้นสำหรับมอเตอร์กระแสตรง, กระแสไฟฟ้า, การชุบด้วยไฟฟ้า, การถลุงไฟฟ้า, การชาร์จ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ แม้ว่าส่วนประกอบของตัวเรียงกระแสกำลังยังใช้ในสถานที่ที่จำเป็นต้องใช้กระแสตรงในการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง ในแง่ของประสิทธิภาพบางประการ แหล่งพลังงานของตัวเรียงกระแสกระแสสลับไม่สามารถแทนที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงได้อย่างสมบูรณ์

(6) มอเตอร์กระแสตรง

อุปกรณ์หมุนที่แปลงพลังงานกระแสตรงเป็นพลังงานกล สเตเตอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้าให้สนามแม่เหล็ก แหล่งจ่ายไฟ DC ให้กระแสแก่ขดลวดของโรเตอร์ และตัวสับเปลี่ยนจะรักษาทิศทางของกระแสของโรเตอร์และแรงบิดที่เกิดจากค่าคงที่ของสนามแม่เหล็ก มอเตอร์กระแสตรงสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทโดยขึ้นอยู่กับว่ามีการติดตั้งตัวสับเปลี่ยนแปรงที่ใช้กันทั่วไปหรือไม่ รวมถึงมอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่านและมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่าน

มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านเป็นมอเตอร์กระแสตรงรูปแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครโปรเซสเซอร์ การประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังใหม่ที่มีความถี่ในการสลับสูงและใช้พลังงานต่ำ ตลอดจนการปรับวิธีการควบคุมให้เหมาะสม และการเกิดขึ้นของวัสดุแม่เหล็กถาวรระดับพลังงานแม่เหล็กสูง-ที่มีต้นทุนต่ำ

(7) หลักการควบคุม

หลักการควบคุมของมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านคือเพื่อให้มอเตอร์หมุนได้ หน่วยควบคุมจะต้องกำหนดตำแหน่งของโรเตอร์ของมอเตอร์ที่เซนเซอร์ฮอลล์รับรู้ก่อน จากนั้นจึงตัดสินใจลำดับการเปิด (หรือปิด) ทรานซิสเตอร์กำลังในอินเวอร์เตอร์ตามขดลวดสเตเตอร์ AH, BH, CH (เหล่านี้เรียกว่าทรานซิสเตอร์กำลังที่ต้นแขน) และ AL, BL, CL (เหล่านี้เรียกว่าทรานซิสเตอร์กำลังที่แขนท่อนล่าง) ในอินเวอร์เตอร์ทำให้กระแสไหลผ่านขดลวดมอเตอร์ตามลำดับเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่หมุนไปข้างหน้า (หรือย้อนกลับ) และโต้ตอบกับแม่เหล็กของโรเตอร์ เพื่อให้มอเตอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา/ทวนเข็มนาฬิกา เมื่อโรเตอร์ของมอเตอร์หมุนไปยังตำแหน่งที่เซ็นเซอร์ฮอลล์ตรวจจับสัญญาณอีกชุดหนึ่ง ชุดควบคุมจะเปิดทรานซิสเตอร์กำลังชุดถัดไป เพื่อให้มอเตอร์แบบวนสามารถหมุนต่อไปในทิศทางเดียวกันได้จนกว่าหน่วยควบคุมตัดสินใจหยุดโรเตอร์ของมอเตอร์และปิดทรานซิสเตอร์กำลัง (หรือเปิดเฉพาะทรานซิสเตอร์กำลังที่แขนท่อนล่างเท่านั้น) หากต้องกลับทิศทางโรเตอร์ของมอเตอร์ ลำดับการเปิดใช้งานทรานซิสเตอร์กำลังจะกลับกัน

 

โดยทั่วไป วิธีการเปิดของทรานซิสเตอร์กำลังสามารถยกตัวอย่างได้ดังนี้: AH, BL group → AH, CL group → BH, CL group → BH, AL group → CH, AL group → CH, BL group แต่จะต้องไม่ถูกเปิดเป็น AH, AL หรือ BH, BL หรือ CH, CL นอกจากนี้ เนื่องจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีเวลาตอบสนองของสวิตช์อยู่เสมอ ดังนั้นเวลาตอบสนองของทรานซิสเตอร์กำลังจึงควรนำมาพิจารณาด้วยเมื่อปิดและเปิดเครื่อง มิฉะนั้น เมื่อปิดแขนท่อนบน (หรือแขนท่อนล่าง) ไม่สนิท แขนท่อนล่าง (หรือแขนท่อนบน) จะเปิดอยู่แล้ว ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างแขนท่อนบนและท่อนล่าง และทำให้พาวเวอร์ทรานซิสเตอร์ไหม้

 

เมื่อมอเตอร์หมุน ชุดควบคุมจะเปรียบเทียบคำสั่งที่ประกอบด้วยความเร็วและอัตราการเร่ง/ลดความเร็วที่กำหนดโดยคนขับกับความเร็วของการเปลี่ยนแปลงสัญญาณเซ็นเซอร์ฮอลล์ (หรือคำนวณโดยซอฟต์แวร์) เพื่อพิจารณาว่าควรเปิดสวิตช์ชุดถัดไป (AH, BL หรือ AH, CL หรือ BH, CL หรือ...) และระยะเวลาของการเปิดเครื่อง หากความเร็วไม่เพียงพอก็จะขยายออกไป ถ้าความเร็วสูงเกินไปก็จะสั้นลง งานส่วนนี้เสร็จสิ้นโดย PWM PWM เป็นวิธีตรวจสอบว่าความเร็วของมอเตอร์เร็วหรือช้า และวิธีการสร้าง PWM ดังกล่าวเป็นแกนหลักในการควบคุมความเร็วที่แม่นยำยิ่งขึ้น

 

การควบคุมความเร็วสูง-ต้องพิจารณาว่าความละเอียด CLOCK ของระบบเพียงพอที่จะเข้าใจเวลาการประมวลผลของคำสั่งซอฟต์แวร์หรือไม่ นอกจากนี้ วิธีการเข้าถึงข้อมูลสำหรับการเปลี่ยนแปลงสัญญาณเซ็นเซอร์ฮอลล์ยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ ความแม่นยำในการวินิจฉัย และประสิทธิภาพ-แบบเรียลไทม์ สำหรับการควบคุมความเร็วต่ำ-โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสตาร์ทด้วยความเร็วต่ำ- การเปลี่ยนแปลงในสัญญาณเซ็นเซอร์ฮอลล์ที่ส่งคืนจะช้าลง เป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องแยกสัญญาณ ประมวลผลในเวลาที่เหมาะสม และกำหนดค่าพารามิเตอร์ควบคุมอย่างเหมาะสมตามลักษณะของมอเตอร์ หรืออีกทางหนึ่ง สามารถปรับการตอบสนองความเร็วตามการเปลี่ยนแปลงของตัวเข้ารหัสเพื่อเพิ่มความละเอียดของสัญญาณเพื่อการควบคุมที่ดีขึ้น มอเตอร์สามารถทำงานได้อย่างราบรื่นและตอบสนองได้ดี และไม่สามารถละเลยความเหมาะสมของการควบคุม PID ได้ ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านเป็นแบบควบคุม-แบบลูปปิด ดังนั้นสัญญาณป้อนกลับจึงเทียบเท่ากับการบอกแผนกควบคุมว่าความเร็วของมอเตอร์ยังคงแตกต่างจากความเร็วเป้าหมายมากน้อยเพียงใด ซึ่งถือเป็นข้อผิดพลาด โดยปกติแล้วการทราบข้อผิดพลาดจำเป็นต้องได้รับการชดเชย ซึ่งสามารถทำได้ผ่านการควบคุมทางวิศวกรรมแบบดั้งเดิม เช่น การควบคุม PID อย่างไรก็ตาม จริงๆ แล้วสถานะและสภาพแวดล้อมในการควบคุมมีความซับซ้อนและ-เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา เพื่อให้บรรลุการควบคุมที่แข็งแกร่งและทนทาน ปัจจัยที่ต้องพิจารณาอาจไม่สามารถควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ด้วยการควบคุมทางวิศวกรรมแบบดั้งเดิม ดังนั้นการควบคุมแบบคลุมเครือ ระบบผู้เชี่ยวชาญ และโครงข่ายประสาทเทียมจึงจะถูกรวมเป็นทฤษฎีที่สำคัญสำหรับการควบคุม PID อัจฉริยะด้วย