🌱 Actuator - Động cơ một chiều - DC Motor
Một actuator vô cùng quan trọng trong các ứng dụng thực tế nói chung và các ứng dụng nhúng nói riêng, đó là động cơ một chiều - DC Motor. Có rất nhiều loại động cơ trong thực tế như DC Motor, Step Motor, Servo Motor, ... Mỗi loại có các ứng dụng và cách điều khiển riêng, đối với động cơ DC, chúng ta có một động cơ rất đa năng, đa dạng về mặt tốc độ, công suất, ... và có phương pháp điều khiển khá đơn giản.
🔻 Nội dung bài viết bao gồm các phần:
- Tìm hiểu về DC Motor.
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của DC Motor.
- Bài toán về DC Motor trong hệ thống nhúng.
👉 Động cơ một chiều là gì?
Động cơ một chiều DC - “Direct Current Motors”, được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp một chiều.
Động cơ một chiều (DC) là động cơ biến năng lượng từ dòng điện một chiều và thành cơ năng.
Để tránh nói về các hệ thống điện với các động cơ công suất lớn, bài viết này sẽ nói về cách động cơ DC với công suất vừa và nhỏ, với mạch điện - điều khiển đơn giản nhất.
Ứng dụng thì có rất nhiều, động cơ một chiều được sử dụng ở mọi nơi. Một số ví dụ về các ứng dụng mà chúng vẫn được sử dụng cho đến nay như:
- Dùng trong cần cẩu
- Ở các dây chuyền, băng tải
- Công cụ máy móc cầm tay
- Đồ chơi trẻ em
- Bộ khởi động động cơ trên ô tô…
👉 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Muốn điều khiển một động cơ điện một chiều, việc quan trọng là chúng ta cần phải nắm được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó.
Về mặt cấu tạo, động cơ DC cơ bản sẽ bao gồm các bộ phận chính sau:
- Stator: là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
- Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện
- Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
- Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor.
😂 Cái này mọi người cần tìm hiểu thêm nếu muốn đi sâu vào phần điện nhé. Nếu là dân thiên về lập trình thì chúng ta cứ hiểu cách hoạt động của nó như bên dưới này:
Đó là có một nam châm điện gồm 2 cực N/S sắp xếp như hình, 2 cực này sẽ đứng yên nên người ta gọi nó là Stator. Ở giữa sẽ có một phần lõi được quấn dây, nó sẽ quay nên được gọi là Rotor. Khi mà có dòng điện chạy qua Stator, nó sẽ tạo ra một từ trường, khiến cho Rotor quay theo một hướng, và đó chính là chuyển động của động cơ một chiều.
🔻 Công thức liên quan đến thông số động cơ (Theo wiki):
👉 Bài toán về DC Motor trong hệ thống nhúng
💬 Bài toán điều khiển tốc độ động cơ
Tất nhiên đây là bài toán quan trọng nhất khi làm việc với động cơ, chúng ta cần các ứng dụng với tốc độ động cơ thay đổi liên tục, và để điều khiển được tốc độ động cơ, ta sẽ cần nhìn vào phương trình tốc độ động cơ sau đây:
➤ Vì vậy để điều khiển được tốc độ động cơ (ω), ta có 3 cách:
- Thay đổi Uư - Điện áp phần ứng.
- Thay đổi từ thông Φ.
- Thay đổi Rư - Điện trở phần ứng.
- Thay đổi từ thông - Cặp nam châm Stator là nam châm vĩnh cửa và từ thông của nó cố định. Nếu biến nó thành nam châm điện để có thể thay đổi từ thông thì động cơ của chúng ta sẽ phức tạp hơn rất nhiều.
- Thay đổi điện trở phần ứng - Có thể thay con trở phần ứng thành biến trở? Phương pháp này ổn, nhưng sẽ không khả thi trong trường hợp bài toán điều khiển, mà chỉnh biến trở giống như núm xoay, bạn sẽ cần làm nó manual.
➤ Vì vậy, cách mà chúng ta thường xuyên sử dụng, đó là thay đổi điện áp phần ứng - Cụ thể thông số này tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ.
👉 Đối với Vi điều khiển - Nhúng, để thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta lại có 2 cách là DAC (Digital-to-Analog Converter) và PWM (Pulse Width Modulation), với dạng điện áp đầu ra khác nhau là Analog với DAC hoặc Digital với PWM.
👉 Điều khiển điện áp (Analog Output)
🔻Phương pháp sử dụng bộ DAC – Digital-to-Analog Converter, phương pháp này thường sử dụng một mạch điện tử chia áp để biến đổi đầu ra số từ Vi điều khiển, thành dạng đầu ra điện áp tương tự (Ví dụ dải số 0-1023 biến đổi thành dạng điện áp 0-5V).
Tuy nhiên trên thực tế phương pháp này tồn đọng một số nhược điểm:
- Muốn khởi động động cơ điện một chiều, ta cần một điện áp lớn bằng điện áp định mức (ví dụ điện áp định mức là 220V thì chúng ta cần cấp đủ 220V để động cơ khởi động) – cấp điện áp thấp, ví dụ 20V, thì động cơ không khởi động được.
- Khi hoạt động ở mức điện áp thấp hơn điện áp định mức, động cơ sẽ nhanh bị nóng và tuổi thọ của động cơ sẽ giảm. Chính vì vậy, phương pháp DAC rất ít được sử dụng trong thực tế để điiều khiển động cơ điện một chiều.
🔻Và tất nhiên ta lại chọn ra cách ưu việt và thường được sử dụng hơn, đó là PWM - Pulse Width Modulation, hay điều chế độ rông xung. Phương pháp này cố gắng tạo ra một tín hiệu xung vuông, với tần số cố định (thường là tần số khá lớn), chỉ thay đổi độ rộng xung ở mức cao, từ đó sẽ tạo ra sự thay đổi về mặt điện áp.
Đối với phương pháp này, điện áp cấp cho động cơ sẽ chỉ ở 2 trạng thái là Vmax hoặc 0V, vì vậy, động cơ sẽ hoạt động giống như việc bật/tắt liên tục với điện áp tối đa (Đảm bảo duy trì điện áp định mức để động cơ hoạt động). Cùng với việc bật/tắt liên tục này diễn ra rất nhanh ➔ bởi tần số xung lớn, nên từ thông sẽ được duy trì liên tục và đảm bảo động cơ sẽ không bị nóng. Điện áp cấp cho động cơ sẽ là điện áp trung bình trong một chu kỳ, và được tính bởi công thức trên hình vẽ.
PWM cũng rất dễ để tạo ra bằng các máy phát xung, hoặc ngoại vi Timer/PWM của các dòng vi điều khiển. Chính vì vậy, PWM là phương pháp ưu việt, và được sử dụng ở hầu hết các bài toán điều khiển động cơ điện một chiều hiện nay.
🔻 Các video về sử dụng PWM với ngoại vi Timer của Vi điều khiển:
💬 Bài toán điều khiển chiều quay động cơ
Ngoài việc điều khiển tốc độ, chúng ta còn một yếu tốc cần quan tâm đó là chiều quay của động cơ vì nhiều tình huống ta cần đảo chiều quay của động cơ.
➤ Từ công thức trên, việc đơn giản nhất để đảo chiều động cơ, chính là đảo chiều từ thông, hay bản chất chính là đảo chiều dòng điện.
Tất nhiên là không thể ngắt nguồn để đảo chiều rồi, chúng ta cần một cơ chế tự động làm việc này. Và lời giải đó là mạch cầu H. Về nguyên lý mạch cầu H, mình sẽ có một bài viết riêng để phân tích về nó, các bạn có thể hình dung cách mạch cầu H đảo chiều dòng điện đi qua động cơ bằng hình vẽ bên dưới:
💬 Bài toán Đo tốc độ động cơ
Ở đây chúng ta không nhắc đến các thiết bị đo ngoài, mà chỉ nhắc đến bài toán nhúng, tức là sẽ đo dòng điện trực tiếp bằng vi điều khiển và mạch điện trong ứng dụng của chúng ta.
➤ Có 2 cách phổ biến thường dùng, đó là sử dụng Encoder và đo dòng điện động cơ.
- Về cách sử dụng Encoder các bạn có thể tham khảo trong bài viết sau.
- Các đo dòng điện động cơ thì mình thường dùng hơn, đó là sử dụng một cảm biến đo dòng và một mạch khuếch đại, sau đó sử dụng ADC của vi điều khiển để đọc. Mình sẽ có bài viết chi tiết về phương pháp này và project thực tế.
Các bạn có thể tham khảo thêm bài viết về các phương pháp đo dòng điện.
0 Nhận xét