Cách điều khiển động cơ một chiều

1.Tóm tắt cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DC Motor có chổi

Động cơ DC truyền thống sử dụng dòng điện một chiều để tạo ra lực từ làm quay trục đầu ra. Khi đảo ngược cực tính của điện áp DC, động cơ đảo ngược hướng quay của nó. Thông thường, lực do động cơ tạo ra bằng nhau trong một trong hai hướng.

Dòng điện chạy qua hai hay nhiều cuộn dây gắn trên trục động cơ và quay cùng với nó. Tổ hợp này được gọi là rotor. Lực từ do dòng điện tạo ra được tập trung thông qua các lõi hoặc cực bằng sắt mềm hoặc thép silic cao và tương tác với các trường được tạo bởi nam châm vĩnh cửu bố trí xung quanh rotor một cụm cố định được gọi là stator.  Nguồn điện cấp cho các cuộn dây được cung cấp thông qua một cặp chổi  được gọi là brushes, nó thường được làm từ hợp chất than chì. Lò xo ép  brushes  vào  tay áo quay với trục và được chia thành các phần nối với các cuộn dây.  Tổ hợp các  thành phần của tay áo  được gọi là cổ góp hay commutator

 

2. Tóm tắt cấu tạo và hoạt động của DC Motor không chổi (BLDC Motor)

Trong động cơ DC có chổi, các cuộn dây chuyển động và nam châm vĩnh cửu đứng yên. Chổi than giúp đưa nguồn điện vào các cuộn dây thông qua commutator.  Tuy nhiên năng lượng điện có thể thất thoát nhiều do sự ma sát giữ chổi than và rotor khiến mài mòn cuộn dây. Ngoài ra chúng ta còn phải thay thế chổi  đã mòn sau một thời gian sử dụng. Để khắc phục điều này động cơ DC không chổi than (BLDC Motor)  đã ra đời.

Ngược lại với động cơ có chổi, trong BLCD Motor, các cuộn dây cố định được đặt trong stator, còn  các nam châm vĩnh cửu thì chuyển động  và  được đặt trong rotor.  Ưu điểm lớn của thiết kế này là nguồn điện có thể được cấp trực tiếp vào cuộn dây, loại bỏ sự cần thiết của chổi than, đây là nguyên nhân chính gây ra sự cố trong động cơ DC do hao mòn. Tuy nhiên, do không có vòng quay cổ góp để chuyển dòng điện một chiều đến các cuộn dây, dòng điện phải được chuyển đổi bằng các linh kiện điện tử, điều này làm tăng thêm giá thành của động cơ.

Trong cấu hình bên trong, stato bao quanh rôto, trong khi ở cấu hình bên ngoài, stato nằm ở trung tâm của động cơ trong khi rôto có dạng vòng hoặc  cốc quay quanh stator.

 

Như đã nói ở trên, các loại máy được trang bị động cơ không chổi than có giá thành thường cao hơn rất nhiều vì vậy sẽ gây đắn đo với người mua.  Tuy nhiên, máy có động cơ không chổi than luôn là sự lựa chọn ưu tiên đối với thiết bị cần  có động cơ bền bỉ phù hợp với nhu cầu sử dụng liên tục với công suất lớn. Ngoài ra một chiếc máy có gắn động cơ không chổi than cũng giúp ta tiết kiệm điện, đem lại hiệu suất cao mà một chiếc máy động cơ chổi than không thể thay thế được.

Trong khi đó, động cơ chổi than được ứng dụng phổ biến hơn trong các loại máy móc sử dụng hằng ngày, đối với những thiết bị không phải hoạt động với công suất quá lớn thì việc sở hữu một động cơ ổn định như vậy cũng đã đủ.

 

 3. Điều khiển DC Motor

a) Điều khiển tốc độ (control speed)

Một biến trở hoặc chiết áp có thể được nối tiếp với động cơ DC truyền thống để điều chỉnh tốc độ, nhưng sẽ không hiệu quả, vì nó sẽ đạt được một giảm điện áp bằng cách tạo ra nhiệt. Bất kỳ bộ biến trở nào phải được đánh giá phù hợp, và có lẽ nên được quấn bằng dây.

Module độ rộng xung (PWM)  sẽ thích hợp hơn để điều khiển tốc độ cho động cơ DC truyền thống. Module  này đôi khi được gọi là mạch cắt, vì nó cắt một mạch ổn định dòng điện thành các xung rời rạc. Thông thường xung có tần số không đổi trong khi thay đổi trong khoảng thời gian. Độ rộng xung xác định công suất phân phối trung bình và tần số đủ cao để không ảnh hưởng đến độ mượt của

hoạt động của động cơ.

Một bóng bán dẫn đơn tiếp giáp có thể lập trình (programable unijunction transitor) hoặc PUT có thể được sử dụng để tạo ra một chuỗi xung, có thể điều chỉnh với một chiết áp gắn liền với nó máy phát. Đầu ra từ bóng bán dẫn đi đến một bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR), được đặt nối tiếp với động cơ, hoặc có thể nối trực tiếp với động cơ nếu động cơ nhỏ.

Một cách thay thế  có thể sử dụng bộ đếm thời gian 555 để tạo chuỗi xung, điều khiển MOSFET nối tiếp với động cơ.

Một bộ vi điều khiển (microcontroller) cũng có thể được sử dụng như một nguồn xung.  Nhiều bộ vi điều khiển có PWM được tích hợp sẵn. Bộ vi điều khiển sẽ yêu cầu nguồn điện quy định riêng (thường là 5VDC, 3.3VDC, hoặc đôi khi ít hơn) và một thành phần chuyển mạch như bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) để cung cấp đủ năng lượng cho động cơ và để xử lý điện áp flyback. Tất cả các thành phần này sẽ thêm vào chi phí của hệ thống, nhưng dù sao thì nhiều thiết bị hiện đại cũng kết hợp bộ vi điều khiển, chỉ để xử lý đầu vào của người dùng. Một ưu điểm khác của việc sử dụng vi điều khiển là đầu ra của nó có thể được thay đổi bằng cách viết lại phần mềm, ví dụ nếu một động cơ được thay thế bằng một phiên bản mới có đặc điểm khác, hoặc nếu yêu cầu thay đổi vì lý do khác. Ngoài ra, một bộ vi điều khiển có các tính năng  tinh vi, có khả năng lập trình để điều khiển  tốc độ của động cơ.

Dưới đây là sơ đồ PWM sử dụng microcontroller và IGBT để điều khiển tốc độ của DC Motor.

b) Điều khiển hướng (control direction)

H-bridge là hệ thống được sử dụng để đảo chiều/hướng động cơ DC chỉ bằng cách hoán đổi cực của nguồn cung cấp điện của nó. Điều này được thể hiện trong Hình bên dưới.  Các công tắc đối diện theo đường chéo nhau đóng, để lại hai cônng tắc kia mở; và sau đó để đảo ngược động cơ, trạng thái chuyển đổi được đảo ngược. Đây  là một sơ đồ nguyên thủy, nhưng thuật ngữ “cầu H” vẫn còn được sử dụng khi được đóng gói sẵn trong một con chip đơn chẳng hạn như bộ điều khiển động cơ cầu LMD18200 H.

Tài liệu tham khảo

Charles Platt, Encyclopedia of Electronic Components, O’Reilly Media, Inc, 2013.

 

Tác giả: TS. H.H. Hưng