Mạch Điều Khiển Của Động Cơ Không Chổi Than: Cấu Tạo, Hoạt Động Như Thế Nào?

Trong thế giới ngày càng phát triển của công nghệ, việc tối ưu hóa hiệu suất, giảm tiếng ồn, tăng tuổi thọ và khả năng điều khiển chính xác đã trở thành những yếu tố quan trọng hàng đầu. Đặc biệt, khi nói đến động cơ không chổi than, những yếu tố này không chỉ là những mong đợi mà còn là những tiêu chuẩn cần được đáp ứng. Động cơ không chổi than, với kích thước nhỏ gọn và khả năng vận hành êm ái, đã mở ra một chương mới trong ngành công nghiệp cơ khí và điện tử, nhưng điều gì làm nên sức mạnh thực sự của chúng? Câu trả lời nằm ở "Mạch Điều Khiển của Động Cơ Không Chổi Than".

Mạch điều khiển không chỉ là trái tim giúp động cơ không chổi than hoạt động một cách chính xác, mà còn đóng vai trò như bộ não phức tạp, điều chỉnh mọi chuyển động và hoạt động một cách nhịp nhàng và hiệu quả. Chúng ta hãy cùng nhau khám phá cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển này, để hiểu rõ hơn về cách thức mà nó giúp tối ưu hóa hiệu suất, giảm thiểu tiếng ồn, kéo dài tuổi thọ và tăng cường khả năng điều khiển chính xác cho động cơ không chổi than.

Bằng cách tạo ra một kết nối cá nhân với độc giả thông qua việc chia sẻ kiến thức và niềm đam mê về công nghệ, bài viết "[Mạch Điều Khiển Của Động Cơ Không Chổi Than: Cấu Tạo, Hoạt Động Như Thế Nào]" sẽ làm sáng tỏ mọi thắc mắc, và mở ra cánh cửa mới để tiếp cận với những thành tựu kỹ thuật hiện đại. Hãy cùng chúng tôi bước vào hành trình này, nơi mà sự hiểu biết và niềm yêu thích công nghệ sẽ dẫn lối cho sự sáng tạo và đổi mới.

1. Khái niệm motor không chổi than 

Mạch điều khiển của động cơ không có chổi than (hay còn gọi là động cơ BLDC Brushless DC motor) là một loại động cơ điện được chuyển mạch bằng điện tử cùng với các nam châm điện dòng DC được điều khiển di chuyển rotor chạy  xung quanh stator. 

Thay vì bàn chải (chổi than) và máy cắt ở động cơ chổi than thì các module điều khiển motor không chổi than lại sử dụng bộ điều khiển động cơ bước nhằm mục đích tạo ra sự chuyển đổi năng lượng điện trở thành năng lượng cơ học.

Mạch điều khiển của động cơ không có chổi than

2. Nguyên tắc điều khiển động cơ không chổi than

Phương pháp điều khiển truyền thống của động cơ BLDC chính là đóng cắt các khóa mạch lực (còn gọi là IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào trong cuộn dây stator mà động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor để đưa về.

Sơ đồ nguyên lý mạch lực của động cơ được biểu diễn như sau:

Nguyên tắc điều khiển động cơ không chổi than

Chế độ điều khiển này còn được gọi là chế độ điều khiển 120 độ. Đây là chế độ điều khiển cơ bản của động cơ không chổi than, còn các chế độ khác tạm thời chúng ta chưa xét đến. Trong một thời điểm bất kì, động cơ luôn luôn chỉ có 2 pha dẫn điện, do đó người ta còn gọi đây là chế độ điều khiển có 2 pha dẫn. Dưới mỗi pha dẫn, chúng ta thấy đều có dòng điện 1 chiều và 1 sức điện động 1 chiều tồn tại. Do đó, động cơ BLDC sẽ tồn tại đặc tính cơ và đặc tính điều khiển tương tự với động cơ 1 chiều. Chính vì thế, động cơ này còn có tên gọi là “động cơ một chiều không có chổi than”.

Trong quá trình khởi động, của động cơ BLDC chạy không tải sau khi ta đóng tải. Ta thấy rõ ràng các pha (cùng với các màu khác nhau) thay nhau dẫn điện và thể hiện tính chất “một chiều” của chúng.

Để thực hiện nguyên lý điều khiển động cơ trên, cấu hình điều khiển trong dải trễ dòng điện (còn gọi là Hysteresis Current Control – ký hiệu HCC) đã được thực hiện và đó là cấu hình điều khiển mẫu mực cho động cơ BLDC.

Dễ nhận thấy rằng, khi sử dụng phương pháp điều chỉnh dòng điện HCC, ta có dòng điện chuyển mạch tới 6 lần trong 1 chu kì. Sự chuyển mạch này không lý tưởng (không tức thời, thời gian chuyển mạch lên và xuống cũng không bằng nhau) gây nên những khuyết điểm của động cơ BLDC, đó là nhấp nhô mô men quỹ đạo từ thông không được tròn và khó xác định.

Nhấp nhô moment (còn gọi là torque ripple) được xem là điểm yếu của động cơ BLDC. Gần đây, đã có một số lượng lớn các nghiên cứu về động cơ BLDC nhằm mục tiêu làm sao giảm thiểu được sự nhấp nhô này.

Thông thường, quỹ đạo trong từ thông của động cơ bắt buộc phải có hình tròn, nhưng do dòng điện có sự chuyển mạch không lý tưởng nên quỹ đạo từ thông của động cơ BLDC có đến 6 “gai” và “bậc” trong 1 chu kì. Việc ước lượng từ thông tại các “bậc” này cũng rất khó khăn, do đó rất khó để điều khiển từ thông trong động cơ BLDC. Việc điều khiển động cơ BLDC từ trước đến nay do đó đều bỏ qua quá trình điều khiển từ thông của nó.

3. Sơ đồ và cách điều khiển động cơ không chổi than

Động cơ BLDC có tới 3 dây trong khi module của nó chỉ hỗ trợ 2 dây. Vậy phải làm sao? Chúng ta sẽ sử dụng một thiết bị điều khiển mới gọi là ESC. ESC có chức năng điều tốc cho motor brushless, được hoạt động bằng cách băm xung chạy đến chân tín hiệu. 

Sơ đồ dây như sau:

• Bên phải: Bao gồm 3 dây được nối với 3 dây motor. Chú ý: Nối dây ở giữa của ESC với dây ở giữa của động cơ, còn 2 dây còn lại có hay không cũng không quan trọng. Bởi vì nếu đảo 2 dây này thì chỉ có tác dụng đổi chiều motor.
• Bên trái: Gồm 2 dây to chính là dây cấp nguồn công suất cho motor. Ta thấy  3 dây nhỏ lại cũng khá giống với 3 dây servo. Bởi lẽ, nó hoạt động và có code lập trình khá giống với động cơ servo hoạt động cùng với băm xung. 

Chức năng của 3 dây này như sau: Dây đen chính là cực âm, còn dây đỏ hoạt động sẽ cho ra nguồn 5V, dây vàng chính là dây tín hiệu nối với arduino (được nối vào chân PWM).

Sơ đồ cách điều khiển động cơ không chổi than

4. Điều khiển động cơ không có chổi than dùng Code Arduino

Tất cả các thiết bị đầu cuối tiếp địa bên trong động cơ được kết nối với nhau. Như đã nói ở trên, động cơ BC cũng chính là động cơ 3 pha. Trong sơ đồ mạch trên, bao gồm 3 giai đoạn được đặt tên, đó là: Giai đoạn A, giai đoạn B và giai đoạn C.

Ba điện áp 33K đầu tiên còn được kết nối với các pha của động cơ. Đồng thời, 3 điện trở 10K cũng được sử dụng để làm bộ chia điện áp, 3 điện trở 33K còn lại nhằm tạo ra điểm tự nhiên ảo.

Trong dự án này, cần thiết phải sử dụng 3 bộ so sánh để so sánh BEMF của từng pha so sánh cùng với điểm tự nhiên ảo. Vì chúng ta cần phát hiện ra các điểm giao nhau được tính bằng 0 của mỗi pha, ở đây động cơ sử dụng chip để so sánh tứ giác LM339. 

Điểm ảo sẽ được kết nối với đầu vào nhằm đảo ngược cực (-) của 3 bộ so sánh như trong sơ đồ mạch điện được mô tả ở trên. BEMF A được kết nối với chân không đảo cực (+) của bộ so sánh số 1. Còn BEMF B lại được kết nối vào cực (+) của bộ so sánh số 2, đồng thời, BEMF C cũng được kết nối với cực (+) của bộ so sánh 3. Bộ so sánh số 4 không được sử dụng và đầu vào của nó chính là thiết bị đầu cuối nên nó được tiếp địa.

Như chúng ta đã biết được rằng, đầu ra của bộ so sánh chính là logic 1 trong trường hợp điện áp không đảo có độ lớn hơn điện áp nghịch đảo trong động cơ và ngược lại. Các đầu ra LM339 chính là bộ thu mở, có nghĩa là chúng ta cần 1 điện trở kéo lên để phục vụ cho mỗi đầu ra, vì đã động cơ đã sử dụng 3 điện trở 10kΩ. Đầu ra của 3 bộ so sánh sẽ được kết nối với các chân Arduino số 2, 3 và 4, các chân này tương ứng cho các bộ phận BEMF A, BEMF B và BEMF C.

Các chân Arduino UNO số 2, 3 và 4 phải lần lượt là các chân ngắt vi điều khiển có ký hiệu là ATmega328P PCINT18, PCINT19 và PCINT20.

Các chip IR2101 lúc này sẽ được sử dụng để kiểm soát các mosfet tại bên cao và bên thấp trong từng giai đoạn. Việc chuyển đổi giữa 2 bên cũng được thực hiện theo các dòng điều khiển có tên là HIN và LIN. 

Các đường HIN của 3 IR2101 còn được kết nối với các chân số 11 10 9 tương ứng với các pha A, pha B và pha C. Arduino UNO có thể tạo ra tín hiệu PWM trên các chân mà chỉ có các mosfet phía cao mới được quyền điều khiển.

Các đường LINE được kết nối với các chân Arduino 7 6 5 tương ứng với các pha A, pha B và pha C. Chiết áp 10K cũng được sử dụng để làm thay đổi tốc độ của động cơ BLDC, lúc này đầu ra của nó được kết nối với một kênh khác tương tự Arduino 0, đó là A0.

5. Các loại mạch điều khiển của động cơ không chổi than trên thị trường

a) Mạch điều khiển tốc độ của động cơ BLDC DC 5V-12V 2A 15W

Đây là 1 mạch điều khiển tương đối nhỏ gọn (kích thước chỉ có 30 x 25mm) nhưng có đầy đủ chức năng, tuy nhiên đây cũng là nhược điểm vì nó không có chỗ bắt dây dẫn bằng ốc vít mà buộc phải cắm bằng Jump. Trên mạch có sẵn núm xoay để điều chỉnh tốc độ cũng như các đèn báo nguồn, đèn báo lỗi đồng thời báo tốc độ và chân cắm khi chúng ta chọn chiều quay điều khiển.

Với nguồn điện DC có đầu vào từ DC 5V 12V (max là 15 V), khi đó mạch này sẽ cho ra công suất tối đa là 15W và dòng điện 1.5A (max là 2A). Ở tốc độ lớn nhất, động cơ này có thể điều khiển lên tới vận tốc 10.000 vòng quay/ phút (10000 RPM). Khi mua mạch điện này, các  bạn còn được tặng kèm một cọng dây cáp để có thể nối với nguồn và động cơ.

Mạch điều khiển tốc độ của động cơ BLDC DC 5V-12V 2A 15W

b) Module không chổi than 7-12V, 1.2A sử dụng biến trở chỉnh tốc độ kde4578

Là module điều khiển không chổi than có giá thành tương đối rẻ, chỉ khoảng 100K, các bạn đã có thể điều khiển tốc độ bằng tay (sử dụng biến trở) và đảo chiều quay bằng việc chọn cắm Jump. 

Mạch dùng của nguồn khá rộng (từ 7V 12V, và trên mạch còn được gắn Diode để bảo vệ ngược cho cực nguồn. Để gắn dây vào mạch, các bạn sử dụng các đầu nối vít M3 để tháo lắp dây cho thuận tiện.

c) Bộ điều khiển động cơ không có chổi than có 24v 36v 48v 250w 350w

Đây là một mẫu mạch điều khiển cực kỳ chuyên nghiệp, nó được bọc trong một chiếc hộp tương đối chắc chắn. Cùng với đó là rất nhiều đầu vào ra đem lại khả năng điều khiển động cơ 1 cách linh động nhất, có thể sử dụng vào nhiều loại máy móc khác nhau, đặc biệt là các máy móc yêu cầu độ có chính xác cao. Cũng chính vì vậy, nó có một mức giá khá cao cũng là điều hiển nhiên. 

+ Motor giảm tốc chỉnh tốc độ điện 380v 3 pha

Ảnh 1: Motor điều tốc cơ 2 cấp - hộp số vô cấp, tốc độ lắp motor 4P 40-200 vòng, lắp motor 6P: 27 -130 vòng

Ảnh 2: Motor điều tốc cơ, trục vuông góc âm, tốc độ phổ biến: 40-200 vòng, 20-100 vòng, 10-50 vòng

Ảnh 3: Motor điều tốc trục vuông góc dương, tốc độ phổ biến: 40-200 vòng, 20-100 vòng, 10-50 vòng

Ảnh 4: Motor điều tốc trục thẳng, tốc độ phổ biến: 40-200 vòng, 70-330 vòng,20-100 vòng, 10-50 vòng

+ Motor giảm tốc chỉnh tốc độ điện 220v 1 pha

Video Các loại Giảm Tốc Điều Chỉnh Tốc Độ

Các bạn có thể xem thêm sản phẩm sau: bộ điều tốc điều chỉnh tốc độ 

6. Động cơ không chổi than - Công nghệ động cơ tiên tiến cho tương lai

Động cơ không chổi than là công nghệ động cơ tiên tiến sử dụng nam châm thay vì than chổi truyền thống. Loại động cơ này có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, ít tiếng ồn, tuổi thọ dài và độ bền tốt. Tuy nhiên, chi phí sản xuất lại cao hơn và công nghệ điều khiển phức tạp hơn.

6.1 Ưu và nhược điểm của động cơ không chổi than

**Ưu điểm** của động cơ không chổi than bao gồm:

- Hiệu suất cao, ít tổn thất năng lượng do không có ma sát giữa bàn chải và commutator
- Tuổi thọ dài, độ bền cao do không bị mài mòn ở bàn chải
- Ít tiếng ồn khi hoạt động
- Khả năng chịu nhiệt tốt, ít bị quá nóng

Tuy nhiên, **nhược điểm** của loại động cơ này là:

- Chi phí sản xuất cao do sử dụng nam châm đắt tiền
- Công nghệ điều khiển phức tạp hơn động cơ chổi than thông thường
- Đòi hỏi độ chính xác cao trong quá trình lắp ráp

6.2 Các ứng dụng phổ biến của động cơ không chổi than

Động cơ không chổi than được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ gia dụng đến công nghiệp:

- Thiết bị gia dụng: quạt trần, máy giặt, máy sấy, lò vi sóng...
- Xe đạp điện, xe điện
- Máy bay không người lái (drone)
- Các thiết bị công nghiệp tự động như robot, máy CNC
- Các thiết bị y tế chính xác cao

Sự đa dạng trong ứng dụng nhờ vào độ bền bỉ và hiệu suất làm việc ổn định của động cơ.

7. Hướng dẫn cụ thể lắp đặt và bảo dưỡng động cơ không chổi than

7.1 Lắp đặt

Khi lắp đặt động cơ không chổi than cần lưu ý:

- Đảm bảo kết nối điện chính xác, cân bằng pha giữa các cuộn dây
- Lắp chặt các bộ phận cơ khí, tránh để xảy ra rung lắc
- Kiểm tra hệ thống cảm biến và điều khiển hoạt động tốt
- Điều chỉnh đúng thông số kỹ thuật như vòng quay, mô men xoắn...

7.2 Bảo dưỡng

Để động cơ không chổi than hoạt động bền bỉ cần thực hiện bảo dưỡng định kỳ:

- Vệ sinh bụi bẩn, làm sạch các bộ phận cơ khí
- Kiểm tra mạch điện, kết nối dây dẫn
- Bôi trơn các bộ phận chuyển động nếu cần
- Kiểm tra, hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật

Việc bảo dưỡng giúp phát hiện và khắc phục sớm các hỏng hóc, kéo dài tuổi thọ động cơ.

8. Một số sự cố thường gặp và cách khắc phục

Các sự cố hay gặp trên động cơ không chổi than:

- Quá tải: Giảm tải trọng, thay đổi thông số hoạt động cho phù hợp.

- Quá nhiệt: Kiểm tra hệ thống làm mát, tăng luồng gió làm mát.

- Lỗi phần mềm, hỏng cảm biến: Kiểm tra và thay thế phần mềm, cảm biến hỏng.

- Mất bước, rung lắc: Kiểm tra và điều chỉnh lại hệ thống cơ khí.

Kết luận:

Động cơ không chổi than (BLDC) đã và đang trở thành một phần quan trọng trong cuộc cách mạng công nghệ hiện đại, từ ứng dụng trong các thiết bị điện tử gia dụng đến các hệ thống tự động công nghiệp. Nhờ vào các ưu điểm vượt trội như hiệu suất cao, tuổi thọ lâu dài, và khả năng vận hành êm ái, động cơ này ngày càng được ưa chuộng, thay thế cho các loại động cơ chổi than truyền thống.

Thông qua việc tìm hiểu sâu về cấu tạo, nguyên lý làm việc, và cách điều khiển động cơ BLDC, đặc biệt là sử dụng Arduino, chúng ta có thể mở rộng khả năng ứng dụng của nó vào nhiều dự án DIY, từ những dự án nhỏ cho đến các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn. Điều này không chỉ thể hiện tiềm năng lớn của động cơ không chổi than trong tương lai mà còn mở ra cơ hội cho những người yêu thích công nghệ, kỹ sư, và các nhà phát minh tự do thể hiện sự sáng tạo của mình.

Khi tiếp tục nghiên cứu và phát triển, chúng ta có thể kỳ vọng vào sự xuất hiện của nhiều giải pháp mới, hiệu quả hơn trong việc điều khiển và ứng dụng động cơ không chổi than, từ đó đóng góp vào sự tiến bộ không ngừng của công nghệ hiện đại. Hãy tiếp tục theo dõi và tham gia vào quá trình phát triển này, để không chỉ cập nhật với những tiến bộ mới nhất mà còn có thể đóng góp vào tương lai của công nghệ động cơ.

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

• Nguyên Tắc Điều Khiển Tốc Độ Motor Và Hướng Dẫn Các Cách Điều Chỉnh Tốc Độ Motor 3 Pha
• Sử Dụng Bộ Điều Khiển Tốc Độ Motor DC 220V Arduino - PWM DC - Mạch Cầu H - Chip L298N
• Động Cơ Điện: Những Loại Mô Tơ Quan Trọng Nhất Trong Đời Sống, Tính Năng Và Ý Nghĩa Kỹ Thuật.
• Động Cơ Điện 3 Pha: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng
• Động Cơ Điện 1 Pha: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng
• Giá Động Cơ Điện 3 Pha Đức Nhật Đài Loan, Các Hãng, Các Công Suất
• Thông Số Kỹ Thuật  Motor Điện, Cách Đọc Tem, Kiểm Tra Hiệu Suất Motor, Tiêu Chuẩn Tiết Kiệm Điện
• Khái Niệm Motor Điện. Các Phương Pháp Đấu Điện Khởi Động Motor 3 Pha