🌱 Sensor-Actuator 9. 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 1 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 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): 

    Phương trình của động cơ điện một chiều:
 

    👉 Bài toán về DC Motor trong hệ thống nhúng 

    💬 Bài toán điều khiển 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.

    Nhìn vào 3 cách trên, hoàn toàn chúng ta có thể nhận ra, làm sao có thể thay đổi từ thông, hoặc thay đổi điện trở phần ứng khi nó đã tạo thành mạch điện kín rồi ??? Thực tế 2 phương án này sẽ rất khó để thực hiện. 

    ⇒ 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 đầu ra cho mục đích trên, chúng ta lại có 2 cách: DAC và PWM, Với dạng điện áp đầu ra khác nhau là Analog hoặc Digital. 

    Và tất nhiên ta lại chọn ra cách ưu việt và thường được sử dụng hơn, đó là PWM - Pulse Width Modulation, còn được hiểu là điều chế độ rộng xung.

    Về 2 phương pháp này, và tại sao lại chọn PWM, mình đã nói khá chi tiết trong bài viết sau:

👉 Điều khiển điện áp (Analog Output)

    Các video về sử dụng PWM với ngoại vi Timer của Vi điều khiển:

⇨ STM32 PWM     ⇨ PIC PWM

    👉 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.

    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.

>>>= Follow ngay =<<<

💚 Kênh Youtube Lập trình - Điện tử 💚

Để nhận được những bài học miễn phí mới nhất nhé 😊

        Chúc các bạn học tập tốt 😊

Sensor-Actuator 8            Sensor-Actuator 10