Để điều khiển vận tốc của động cơ DC ta cần phải biến đổi điện thế nguồn cung cấp cho động cơ. Tuy nhiên, trong thực tế trong các ứng dụng thường chỉ dùng nguồn DC ổn định, do đó ta có thể sử dụng biến trở để thay đổi nguồn điện áp cố định và cấp cho động cơ, tuy nhiên, phương pháp này kém năng suất (tỏa nhiệt trên biến trở) và khó ứng dụng (để dùng vi điều khiển). Một phương pháp phổ biến thường dùng để điều khiển vận tốc của động cơ là phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM-Pulse Width Modulation).
PWM là một trong nhiều phương pháp để mã hóa các thông tin tương tự dùng tín hiệu số. Một tín hiệu PWM có dạng sóng với tần số cố định và độ rộng xung biến đổi. Độ rộng xung trong PWM là tỷ lệ phần trăm (trên chu kỳ xung) thời gian tín hiệu trạng thái tích cực- thường có nghĩa là trạng thái logic 1. Về bản chất, PWM mã hóa thông tin trong miền thời gian chứ không phải là miền điện áp như tín hiệu tương tự.
VDC
Mạch điều khiển môtơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa trên nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh. Nguồn DC được chuyển đổi nhanh thành tín hiệu xung vuông ( chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ 12 volt). Tín hiệu xung vuông này được cấp cho động cơ.
Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn thì động cơ sẽ chạy với tốc độ đều đặn phụ thuộc vào momen của trục quay.
Với phương pháp PWM, chúng ta điều chỉnh tốc độ của môtơ thông quavieecj điều chế độ rộng xung, tức là thời gian “đầy xung” (“on”) của chuỗi xung vuông cấp cho môtơ. Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho môtơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ động cơ cần điều khiển.
Ưu, nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ: Ưu điểm:
- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó lọa bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra. - Dãi điều khiển rộng hơn so với mạch điều khiển điều chỉnh tuyến tính. - Tốc độ mô tơ nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so
với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung
Nhược điểm:
- Cần các mạch điện tử bổ trợ.
- Các xung kích lên 12V có thể gây nên tiếng ồn nếu động cơ không được gắn chặt và tiếng ồn sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ. - Ngoài ra việc dùng các chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ
của động cơ.
TON
TPWM
Hình 2.32. Tín hiệu điều chế độ rộng xung Độ rộng của xung = O .100% .100% ON ON ON FF PWM T T T T =T + Nguyên lý phương pháp PWM:
Ta làm thí nghiệm như sau:
Cấp nguồn DC cho động cơ DC 12V, động cơ bắt đầu tăng tốc, tuy nhiên động cơ không đáp ứng tức thì mà cần một khoảng thời gian để đạt vận tốc cực đại. Nếu ta tắt nguồn động cơ trước khi nó đạt vận tốc lớn nhất, nó sẽ quay chậm lại. Nếu ta liên tục tắt, bật nguồn với tần số đủ lớn, động cơ sẽ quay với vận tốc đó nằm giữa 0 và Vmax. 50 100 150 200 250 5 10 15 20 S P E E D P V
Hình 2.33. Quan hệ giữa xung điện áp và tốc độ
Hình vẽ trên cho thấy đáp ứng của vận tốc động cơ khi ta đóng ngắt công tắc. Hình ảnh này mô tả chính xác những gì mà bộ điều khiển PWM làm: đóng/ngắt động cơ bằng một chuỗi xung. Để điều khiển vận tốc của động cơ, ta có thể thay đổi (Điều chế) độ rộng xung.
Xem giản đồ xung ở hình vẽ trên. Nếu một đầu động cơ nối với nguồn dương, đầu còn lại nối với nguồn âm qua công tắc (MOSFET, transistor công suất hay tương tự). Như giản đồ xung A, công tắc bật (động cơ được cấp nguồn) trong khoảng thời gia ngắn, vì vậy động cơ quay chậm. Trong giản đồ B, công tắc bật trong khoảng 50% và tắt trong 50% thời gian. Còn ở giản đồ C, công tắc được bật lâu hơn nhiều so với tắt, do vậy động cơ quay gần với vận tốc cực đại.
DCFlywheel Flywheel MOSFET Driver MOSFET A B Power
Hình 2.35. Mạch dóng ngắt dòng qua động cơ dùng MOSFET
AB B
C