Sơ lược về động cơ DC| Khái niệm- Phân Loại & Điều khiển tốc độ

14/04/2018 05:44 6 lượt xem

Động cơ điện 1 chiều là thiết bị ngoại vi được sử dụng rất rộng rãi do điều khiển đơn giản, giá cả phải chăng. Bài viết này để trao đổi về đặc tính, các phương pháp điều khiển, mạch điều khiển phổ biến của động cơ điện 1 chiều.

SƠ LƯỢC TỔNG QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ DC
Động cơ điện 1 chiều là thiết bị ngoại vi được sử dụng rất rộng rãi do điều khiển đơn giản, giá cả phải chăng. Bài viết này để trao đổi về đặc tính, các phương pháp điều khiển, mạch điều khiển phổ biến của động cơ điện 1 chiều.

(Động cơ DC có nhiều ứng dụng trong thực tế)

1. Định nghĩa

Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là Động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC- điện áp 1 chiều(Khác với điện áp AC xoay chiều). Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn- VCC và dây tiếp đất- GND). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.

Khi bạn cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao ( số vòng quay/ phút). Tốc độ không tải của động cơ DC nếu không giảm tốc có thể đạt từ 1000RPM tới 40.000RPM.

Một ví dụ về động cơ DC RS775-9009 có tốc độ quay 22.000RPM cùng với hộp giảm tốc Planet
Ứng dụng của động cơ DC cũng rất đa dạng và hầu hết trong mọi lĩnh vực của đời sống. Trong tivi, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, máy công nghiệp...v...v.

Đối với động cơ điện 1 chiều có loại không chổi than (Brussless DC Motor- BLDC) và động cơ có chổi than (Brush DC Motor- DC Motor). Do động cơ BLDC thực chất là động cơ điện 3 pha không đồng bộ vì vậy mình chỉ xét động cơ điện 1 chiều có chổi than.

2. Phân loại động cơ điện một chiều (đây là cách phân loại theo cách kích từ)

Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:

-Kích từ độc lập.
-Kích từ song song.
-Kích từ nối tiếp.
-Kích từ hỗn hợp.

Với mỗi 1 loại động cơ điện 1 chiều như trên thì có các ứng dụng khác nhau. Nhưng trên thực tế, ta chủ yếu tiếp xúc với loại động cơ DC công suất thấp có phần Stator sử dụng nam châm vĩnh cửu nên thông thường là không cần đến phần kích từ cho động cơ. Vì vậy việc phân loại trên mang tính chất tham khảo để các bác có thể tìm hiểu thêm và sâu rộng hơn. Ta nói đến và quan tâm tới kích từ cho động cơ DC khi nói đến các loại động cơ DC công suất lớn, Stator của động cơ không phải là nam châm vĩnh cửu mà là nam châm điện. Phần nam châm điện này cũng gồm lõi thép kỹ thuật và các bó dây. Để Stator biến thành nam châm điện ta cần phải cấp điện cho phần Startor của nó, khi đó ta gọi nó là kích từ. Như vậy với những loại động cơ DC chúng ta tiếp cận không cần phải quan tâm tới "kích từ" của nó.

3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần cổ góp- chỉnh lưu.
Related image

(Cấu tạo chi tiết động cơ DC với phần than lộ và phần rotor dây đồng)

- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện.
- Rotor có các 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.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Image result for cáº¥u táº¡o Äá»ng cÆ¡ DC

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor.

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

(Video Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều)

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

I = (V_{Nguon}-V_{Phan Dien Dong})/R_{Phan Ung}

4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Đặc tính cơ của động cơ điện là hàm có dạng M=f(w) hoặc w=f(M) trong đó w là vận tốc góc và M là mô mem.

4.1 Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song

Đây là động cơ loại động cơ điện 1 chiều khá thông dụng trong một số máy loại nhỏ, cuộc thi robocon và đồ án của sinh viên.
- Sơ đồ nối dây của động cơ điện kích từ độc lập

- Sơ đồ nối dây của động cơ điện kích từ song song.

Cả 2 loại động cơ kích từ độc lập và kích từ song song đều có chung phương trình đặc tính cơ dạng.

Hoặc

Từ 2 phương trình trên ta nhận thấy vận tốc và mô men tuân theo đồ thị dạng y=ax+b. Do vậy đường đặc tính cơ dạng.

4.2 Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp
- Đường đặc tính cơ và sơ đồ đấu dây của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp có dạng

Sở dĩ đường đường đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp là đường hypepol là do phương trình đường đặc tính cơ có dạng.

Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp chính là các động cơ đề của xe máy vẫn sử dụng. Ưu điểm của động cơ này là mô mem khởi động rất lớn, vận tốc cũng rất lớn nhưng không nên sử dụng trong thời gian dài.

4.3 Đặc tính của động cơ kích từ hỗn hợp

Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp (đường 1) là trung bình của đường đặc tính cơ động cơ kích từ song song (đường 2) và động cơ kích từ nối tiếp( đường 3).

5. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Các phương trình điều chỉnh tốc độ.

-Thay đổi điện áp phần ứng.
-Thay đổi điện trở mạch rotor.
-Thay đổi từ thông.

Trên thực tế phương pháp được sử dụng nhiều nhất là thay đổi điện áp phần ứng. Trong đó điển hình là phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM. Đường đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng như sau.

Hầu hết các loại mạch điều khiển động cơ DC như cầu H hay fet+relay, L298... đều dùng để thay đổi điện áp phần ứng đặt vào động cơ. Và đảo chiều động cơ bằng cách thay đổi chiều điện áp đặt lên phần ứng.
Sau đây cùng xét 1 vài mạch điều khiển động cơ DC. Để điều khiển điện áp phần ứng thường hay sử dụng nhất là phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Mạch cầu H

Nguyên lý cơ bản của mạch cầu H

- Khi L1 và R2 cùng dẫn trong khi R1 và L2 khóa thì dòng điện đi theo chiều từ dương nguồn qua L1 qua đối tượng ở đây là động cơ qua R2 xuống GND như vậy động cơ chạy theo chiều từ A sang B.
- Khi R1 và L2 dẫn và L1 và R2 khóa thì dòng điện chạy theo chiều mũi tên xanh trong hình b động cơ quay theo chiều từ B sang A.
- Đối với mạch cầu H thì điều nghiêm cấm L1 và L2 cùng dẫn hoặc R1 và R2 cùng dẫn. Giả xử L1 và L2 cùng dẫn 1 lúc thì dòng điện từ dương nguồn qua L1 qua L2 về GND mà điện trở L1 và L2 rất nhỏ chính vì vậy dòng điện vô cùng lớn sẽ gây hỏng mạch hoặc phá hỏng L1 hoặc L2 hiện tượng này được gọi là hiện tượng trùng dẫn.
Để đề phòng hiện tượng này có 1 số loại ic chuyên dụng như IR2184, IR2103... hoặc nếu sử dụng L298 thì bản thân ic đã phòng chống được hiện tượng trùng dẫn rồi.

1 mạch ví dụ sử dụng IR2184

IR2184 U4 điều khiển mosfet Q1 và Q2, U5 điều khiển Q3 và Q4. Nguyên tắc hoạt động giống như nguyên tắc hoạt động chung của mạch cầu H. Chỉ xét trường hợp hãm, giả sử khi hãm động cơ Q1 dẫn còn Q2 Q3 và Q4 khóa. Khi hãm thì động cơ trở thành máy phát, dòng điện do động cơ sinh ra chạy từ động cơ qua diode của Q2( vì Q2 là mosfet nên có 1 con diode) về dương nguồn qua Q1 trở lại động cơ. Chính hiện tượng này sẽ làm cho động cơ hãm nhanh hơn nhiều, đó cũng là 1 ưu điểm của mạch cầu H
-Bài viết có sử dụng ảnh tư liệu của Cộng đồng cơ điện tử Việt Nam-