CHƯƠNG III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.3 Động cơ DC và phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
3.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng PWM
PWM là một loại tín hiệu có thể được tạo ra từ một vi mạch kỹ thuật số như
vi điều khiển hoặc bộ định thời 555. Do đó, tín hiệu được tạo ra sẽ có một nhóm các xung và các xung này sẽ ở dạng một sóng vuông. Có nghĩa là, tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào, sóng sẽ cao hoặc sẽ thấp. Để dễ hiểu, chúng ta hãy xem xét tín hiệu 5V PWM, trong trường hợp này tín hiệu PWM sẽ là 5V (cao) hoặc ở mức mặt đất 0V (thấp). Khoảng thời gian mà tín hiệu duy trì ở mức cao được gọi là
“đúng giờ” và khoảng thời gian tín hiệu duy trì ở mức thấp được gọi là “thời gian tắt”.
Hình 3. 16 Xung PWM
Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển dòng điện tiện lợi cho phép bạn kiểm soát tốc độ của động cơ, sản lượng nhiệt của máy sưởi và hơn thế nữa theo cách tiết kiệm năng lượng (và thường là êm hơn). Các ứng dụng hiện có cho PWM bao gồm, nhưng không giới hạn:
Bộ điều khiển quạt tản nhiệt tốc độ thay đổi.
Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC.
Mạch truyền động động cơ xe hybrid và điện.
Bộ điều chỉnh độ sáng LED.
Điều biến độ rộng xung đã thay đổi thế giới bằng cách cắt giảm mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị sử dụng động cơ như máy điều hòa không khí biến tần,
tủ lạnh biến tần, máy giặt biến tần, trong số nhiều thiết bị khác. Ví dụ, máy điều hòa không khí biến tần có thể tiêu thụ ít hơn một nửa năng lượng so với máy điều hòa không khí biến tần trong một số trường hợp.
Trong thời đại ngày nay, nếu một thiết bị được quảng cáo là có máy nén tốc độ thay đổi hoặc quạt tốc độ thay đổi (điều này không bao gồm hai hoặc ba tốc độ quạt), thì có khả năng đáng kể là nó đang sử dụng PWM.
Nguyên lý hoạt động:
PWM hoạt động bằng cách tạo xung dòng điện một chiều và thay đổi khoảng thời gian mà mỗi xung ở trạng thái “bật” để kiểm soát lượng dòng điện
chạy đến một thiết bị chẳng hạn như đèn LED. PWM là kỹ thuật số, có nghĩa là
nó có hai trạng thái: bật và tắt (tương ứng với 1 và 0 trong ngữ cảnh nhị phân,
sẽ trở nên phù hợp hơn với bạn nếu sử dụng bộ vi điều khiển).
Mỗi xung được bật càng lâu, đèn LED sẽ càng sáng. Do khoảng thời gian giữa các xung quá ngắn nên đèn LED không thực sự tắt. Nói cách khác, nguồn điện của đèn LED bật và tắt quá nhanh (hàng nghìn lần mỗi giây) đến mức đèn LED thực sự vẫn sáng mà không nhấp nháy. Điều này được gọi là làm mờ PWM, và mạch như vậy chỉ được gọi là mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM.
Nếu chu kỳ làm việc của bộ nguồn PWM được đặt thành 70%, thì xung
sẽ bật trong 70% thời gian và nó tắt 30% thời gian. Chu kỳ nhiệm vụ đề cập đến lượng thời gian nó được bật. Ở chu kỳ hoạt động 70%, độ sáng của đèn LED phải gần 70%. Mối tương quan giữa chu kỳ nhiệm vụ và độ sáng không phải là tuyến tính 100%, vì hiệu suất của đèn LED thay đổi theo lượng dòng điện được cung cấp.
Nếu chu kỳ nhiệm vụ là 0%, toàn bộ tín hiệu sẽ bằng phẳng. Chu kỳ nhiệm vụ PWM là 0% có nghĩa là nguồn bị tắt. Trong trạng thái như vậy, đèn LED sẽ không hoạt động.
Điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển động cơ thực chất là phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra theo sự thay đổi độ rộng của xung vuông làm cho giá trị của điện áp bị thay đổi. Xung PWM được chuyển đổi có cùng tần số và chỉ khác nhau về độ rộng. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ DC sử dụng PWM giúp điều chỉnh tốc độ động cơ và ổn định tốc độ khác với các động cơ xoay chiều hay động cơ AC thường được điều khiển bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cấp ( trong công nghiệp sử dụng biến tần).
Vậy điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng PWM, là phương pháp thay vì điều khiển điện áp liên tục, ta điều khiển điện áp bằng các xung có tần
số cố định nhưng có độ rộng xung thay đổi. Khi có giá trị trung bình điện áp cũng thay đổi, để điều khiển được tốc độ động cơ một chiều
Hình 3. 17 Ví dụ cách tính Utb
Ta có công thức tính điện áp trung bình:
Utb=Udm.Th/T Trong đó:
Utb: điện áp trung bình.
Th: thời gian xung mức cao.
T: chu kì xung.
Udm: điện áp cung cấp cho động cơ.