Động Cơ Điện Một Chiều: Cấu Tạo & Ứng Dụng

Văn bản nhấn mạnh ưu điểm vượt trội của động cơ điện một chiều so với động cơ không đồng bộ, đặc biệt trong việc điều khiển tốc độ. Mặc dù chi phí chế tạo cao hơn do sử dụng nhiều kim loại màu và cấu tạo bộ góp phức tạp hơn, động cơ điện một chiều vẫn giữ vị trí quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, nhất là những ứng dụng cần điều khiển tốc độ quay liên tục và chính xác trong phạm vi rộng, ví dụ như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện… Khả năng điều chỉnh tốc độ và chịu quá tải tốt là những ưu điểm nổi bật. Trong khi động cơ không đồng bộ cần thêm các thiết bị biến đổi tần số (rất tốn kém) để điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều lại có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn, đạt chất lượng cao hơn. Thêm vào đó, động cơ điện một chiều có thể hoạt động linh hoạt như động cơ hoặc máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau.

Giống như các máy điện quay khác, động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: phần đứng yên (stato) và phần quay (rôto). Về chức năng, nó được chia thành phần cảm (kích từ) và phần ứng (biến đổi năng lượng). Điểm khác biệt với động cơ đồng bộ là phần cảm luôn nằm ở phần tĩnh (stato), trong khi phần ứng nằm ở phần quay (rôto). Văn bản mô tả chi tiết cấu tạo của cực chính, bao gồm lõi cực làm bằng lá thép kỹ thuật, mặt cực giúp từ thông dễ dàng đi qua khe khí, và cuộn dây kích từ làm bằng dây đồng, được tẩm sơn cách điện và thiết kế các rãnh làm mát để tản nhiệt tốt. Cấu tạo cực phụ cũng được đề cập, thường có số lượng bằng một nửa số cực chính, với khe khí lớn hơn so với cực chính. Cuối cùng, văn bản đề cập đến bộ góp, một bộ phận quan trọng chịu mài mòn, được làm bằng kim loại gắn trên stato, có lò xo tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ khác.

Phần này đề cập đến phương trình cân bằng suất điện động của động cơ điện một chiều. Khi động cơ được kích từ và đưa vào lưới điện, dòng điện chạy trong cuộn phần ứng sẽ tương tác với từ trường, tạo ra mômen điện từ làm quay rôto. Suất điện động cảm ứng E được biểu diễn bằng công thức E = Cen, trong đó n là tốc độ quay. Phương trình cân bằng được trình bày, mô tả mối quan hệ giữa suất điện động, dòng điện, điện trở và các thông số khác của động cơ. Văn bản chỉ ra rằng, về mặt toán học, đây là một đường thẳng, nhưng trong thực tế, các hiện tượng vật lý như phản ứng phần ứng (làm giảm từ thông khi tải tăng) ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ. Nếu động cơ có điện trở điều chỉnh trong mạch phần ứng, hằng số trong phương trình sẽ thay đổi.

Văn bản khẳng định tầm quan trọng của việc lựa chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều phù hợp với từng hệ thống riêng biệt. Động cơ điện một chiều được đánh giá cao hơn các loại động cơ khác về khả năng điều chỉnh tốc độ, với cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải tốc độ rộng. Hai phương pháp cơ bản được nêu ra là điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ và điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Bất kể phương pháp nào, hệ truyền động cần có bộ biến đổi để cấp điện cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ. Trong công nghiệp, bốn loại bộ biến đổi chính được sử dụng.

Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều đòi hỏi thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập hoặc các bộ chỉnh lưu điều khiển, có chức năng biến đổi điện xoay chiều thành một chiều với sức điện động E_b điều chỉnh được. Do công suất nguồn hữu hạn, các bộ biến đổi này có điện trở trong R_b và điện cảm L_b. Vì từ thông động cơ được giữ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào điện áp điều khiển U_đk. Tốc độ lớn nhất bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản (điện áp phần ứng và từ thông định mức), tốc độ nhỏ nhất bị giới hạn bởi sai số tốc độ và mômen khởi động. Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào độ cứng đặc tính cơ. Khi mômen tải không đổi, phạm vi điều chỉnh tốc độ thường không vượt quá 10. Đối với yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác, hệ thống điều khiển vòng kín là cần thiết. Tổn hao năng lượng chủ yếu nằm trong mạch phần ứng.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp kích từ được đề cập. Khi từ thông giảm, tốc độ tăng, nhưng mômen điện từ cũng giảm, giới hạn phạm vi điều chỉnh. Phương pháp này chỉ dùng khi giảm từ thông mà tốc độ vẫn tăng. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng dễ thực hiện và ít tốn kém, nhưng phạm vi điều chỉnh hẹp, phụ thuộc tải, và có tổn hao lớn. Để giảm tốc độ 50%, tổn hao năng lượng có thể lên tới 50%. Hệ thống truyền động điện máy phát động cơ (trước đây sử dụng máy phát điện một chiều, nay thay bằng bộ chỉnh lưu) có chi phí cao và chỉ được sử dụng khi cần thiết. Hệ thống van-động cơ hiện nay được đánh giá cao hơn về giá thành và độ tin cậy.

Phần này giới thiệu khái niệm điều khiển mờ, một ngành kỹ thuật do nhà toán học Mỹ L.A. Zadeh khởi xướng vào những năm 1960. Điều khiển mờ dựa trên lý thuyết tập mờ, nhằm đơn giản hóa các khái niệm phức tạp trong xác suất và quá trình ngẫu nhiên. Ưu điểm của điều khiển mờ là khả năng ứng dụng trong các bài toán điều khiển mà đối tượng không thể mô tả bằng mô hình toán học chính xác hoặc mô hình quá phức tạp. Ngay cả với các bài toán đã có giải pháp kinh điển, điều khiển mờ vẫn giúp cải tiến hệ thống về tính đơn giản và gọn nhẹ. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ được đề cập đến, nhấn mạnh sự khác biệt với hệ thống điều khiển truyền thống dựa trên logic hai giá trị {0,1}. Hệ thống điều khiển mờ dựa trên kinh nghiệm và tư duy con người, xử lý thông tin qua bộ logic mờ. Để giải quyết các bài toán động, bộ điều khiển mờ có thể cần thông tin về đạo hàm hay tích phân của sai lệch, đòi hỏi xử lý tín hiệu đầu vào qua các khâu động học. Với bài toán phức tạp, có thể cần nhiều bộ điều khiển mờ mắc nối tiếp hoặc song song.

Văn bản đề cập đến bộ điều khiển PID số, nhấn mạnh yêu cầu về tính linh hoạt cao và giao diện thân thiện với người dùng. Người dùng cần dễ dàng lựa chọn luật điều khiển (P, I, PI, PD) và tham số phù hợp thông qua giao diện HMI. Bộ điều khiển PID số phải được thiết kế gọn gàng, thời gian xử lý lệnh nhanh để đảm bảo tính thời gian thực. Điều này cho thấy sự hướng đến ứng dụng thực tiễn của hệ thống điều khiển.

Phần này trình bày phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. Trong lý thuyết điều khiển tuyến tính, các phương pháp xác định tham số k_R, T_I, T_D cho bộ điều khiển PID thường chỉ áp dụng được cho một đối tượng cụ thể. Phương pháp chỉnh định mờ cho phép một bộ điều khiển PID làm việc với nhiều đối tượng khác nhau bằng cách ứng dụng lý thuyết tập mờ để điều chỉnh các tham số k_R, T_I, T_D cho phù hợp với đối tượng hiện tại. Tín hiệu hiệu chỉnh được tạo ra bởi khâu Fuzzy Control (FC) nhằm điều chỉnh hệ số α dựa trên sai lệch của hệ thống. Nếu sai lệch lớn, tín hiệu hiệu chỉnh nhỏ và ngược lại. Khâu FC nhận hai đầu vào từ bộ điều khiển PID là k_Pe và T_D.

Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng vi điều khiển PSoC CY8C27443 thuộc họ CY8C27xxx, được lựa chọn nhờ tính linh hoạt cao, chi phí thấp và hỗ trợ kỹ thuật tốt. Phần mềm PSoC Designer của hãng Cypress được dùng để lập trình, với phương pháp kéo thả giúp đơn giản hóa quá trình thiết lập cấu hình và chức năng trên chip. Việc thiết lập ngắt, chế độ hoạt động của các chân vào/ra đều do người dùng tùy chỉnh trong quá trình thiết kế và lập trình. Các ưu điểm của PSoC được nhấn mạnh: linh hoạt, chi phí nghiên cứu và phát triển ban đầu thấp, giá thành chip thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt và phần mềm dễ sử dụng, giúp quá trình phát triển sản phẩm mới nhanh chóng và dễ dàng mở rộng chức năng.

Hệ thống bao gồm ba phần chính: bộ điều khiển vạn năng dựa trên PSoC, động cơ chấp hành (động cơ một chiều) và cơ cấu phản hồi. Bộ điều khiển vạn năng sử dụng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Việc sử dụng thuật toán logic mờ trong chương trình vi điều khiển được đề cập, cho thấy sự ứng dụng của kỹ thuật điều khiển thông minh. Hệ thống sử dụng tín hiệu xung PWM để điều chỉnh van động lực, từ đó thay đổi điện áp cấp cho phần ứng động cơ và xác định chiều quay. Một encoder của Sharp với độ phân giải 100 xung/vòng được sử dụng để đo tốc độ quay, cung cấp tín hiệu phản hồi cho hệ thống điều khiển.

Thiết kế mạch đảo chiều quay động cơ được thực hiện bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng. Optocoupler 4N35 (tần số hoạt động cao 1MHz) được sử dụng để cách ly mạch điều khiển và mạch động lực trong mạch kích mở IGPT. Optocoupler PC817 và transistor A1815 được sử dụng trong mạch đảo chiều, cùng với role Omron để đóng/ngắt tiếp điểm và thay đổi chiều điện áp. Để xử lý độ đập mạch cao của điện áp sau chỉnh lưu (do sử dụng chỉnh lưu nửa chu kỳ), tụ lọc nguồn được sử dụng. Chọn diode công suất với dòng chịu tối đa 30A và điện áp ngược tối đa dưới 800V. Hệ thống tản nhiệt cho van bán dẫn cũng được đề cập đến để đảm bảo an toàn hoạt động. Cuối cùng, bài báo đề cập đến việc sử dụng phương pháp xung áp mạch đơn để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.