Các dạng động cơ điện một chiều đặc biệt

Chắc hẳn, “động cơ” là một từ rất quen thuộc với rất nhiều người. Ở bất cứ nơi nào các bạn đều có thể nhìn thấy hình ảnh của chúng, ví dụ như động cơ quay cánh quạt trong máy quạt, động cơ quay bánh xe trong xe ô tô, xe máy, động cơ bơm nước,… Có nhiều loại động cơ, chúng khác nhau về hình dáng, kích thước, cấu tạo, nguyên lý hoạt động,… và được ứng dụng cho các mục đích khác nhau. Trong bài viết này, ta hãy cùng tìm hiểu những kiến thức cơ bản về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại động cơ điện một chiều đặc biệt.

1. Động cơ Servo

1.1. Khái niệm và phân loại

1.1.1. Khái niệm

Động cơ servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc. Động cơ Servo cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành.

Trong những năm gần đây, với các hệ thống tự động hóa (máy FA), một hệ thống máy có thể đáp ứng nhu cầu sản xuất nhiều loại sản phẩm và rút ngắn thời gian sản xuất đã trở nên cần thiết. Vì lý do này, việc xử lý các vấn đề nêu trên trở nên khó khăn nếu cứ sử dụng động cơ không đồng bộ điều khiển bằng cảm biến dừng hay là sử dụng xi lanh khí nén. Do đó, việc sử dụng động cơ servo với ưu thế có thể tự do điều khiển tốc độ và vị trí ngày càng trở nên phổ biến.

1.1.2. Phân loại

Nhìn chung có 2 loại động cơ servo: Động cơ servo AC, động cơ servo DC.

‒ DC Servo Motor:

+ DC servo motor không được thiết kế cho các dòng điện cao và thường phù hợp cho các ứng dụng có dòng điện nhỏ như máy nén khí, máy bơm nước,…

+ Động cơ DC Servo Motor được chia làm 2 loại: động cơ 1 chiều có chổi than và động cơ 1 chiều không chổi than.

+ Ngoài ra còn một cách phân loại khác, động cơ servo DC được chia thành 4 loại:

• Động cơ series.
• Động cơ chia dòng.
• Động cơ điều khiển shunt.
• Động cơ servo nam châm vĩnh cửu.

‒ AC Servo Motor:

+ Đây là loại động cơ cho phép xử lý các dòng điện cao nên thường được sử dụng trong máy móc công nghiệp đặc biệt là các loại máy CNC, máy tiện cơ khí, máy phay, máy thủy lực,…

+ Động cơ AC Servo được phân loại thành các loại:

• Động cơ Servo quay vị trí.
• Động cơ Servo quay liên tục.
• Động cơ servo tuyến tính.

+ Ngoài ra, còn được chia làm 2 loại theo pha như:

• Động cơ servo AC hai pha.
• Động cơ 3 pha AC servo.

1.2. Cấu tạo động cơ servo

Cấu tạo chung của 1 động cơ servo gồm: Rotor và Startor. Tuy nhiên, mỗi loại động cơ có một số đặc điểm khác nhau.

1.2.1. Động cơ AC Servo

Động cơ Ac Servo được sử dụng trong các ngành công nghiệp đa phần là động cơ một chiều không chổi than.

Hình 1. Cấu tạo động cơ AC servo.

Động cơ AC Servo này có rotor là nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh và Stator là một cuộn dây được cuốn riêng biệt, được cấp nguồn đề làm quay Rotor.

1.2.2. Động cơ DC Servo

Hình 2. Cấu tạo động cơ DC Servo.

Gồm có 2 loại cơ bản là DC Servo Moto có chổi than và DC Servo Motor không có chổi than.

DC Servo Motor có chổi than: loại động cơ này sẽ bao gồm 4 bộ phận chính đó là stator, rotor, chổi than và cuộn cảm lõi.

1.3. Nguyên lý hoạt động

Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh và stator của động cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay rotor.

Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác thì chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator.

Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Khi đó bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác nhất. Bộ điều khiển servo.

1.4. Ưu và nhược điểm

	Động cơ servo AC	Động cơ servo DC
Ưu điểm	Điều khiển tốc độ tốt, điều khiển trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ, hầu như không dao động, hiệu suất cao hơn 90%, ít nhiệt, điều khiển tốc độ cao, điều khiển vị trí chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa). Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp, không có bàn chải mặc, bảo trì miễn phí (đối với môi trường không có bụi, nổ).	Kiểm soát tốc độ chính xác, đặc điểm tốc độ mô-men xoắn rất khó, nguyên tắc điều khiển đơn giản, dễ sử dụng, giá rẻ.
Nhược điểm	Điều khiển phức tạp hơn, các thông số ổ đĩa cần phải điều chỉnh các thông số PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn.	Chổi than cho giới hạn tốc độ, sức đề kháng bổ sung, dẫn đến các hạt mài mòn (môi trường không có bụi không thích hợp).

2. Động cơ bước (Stepper Motor)

2.1. Khái niệm và phân loại

2.1.1. Khái niệm

Step Motor (Stepper Motor, Stepping Motor) đều là những từ khóa chỉ về động cơ bước. Step Motor là loại động cơ chấp hành đặc biệt, thường được sử dụng cho các hệ truyền động rời rạc. Step Motor thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết.

Step Motor làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stator (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).

2.1.2. Phân loại

Xét về cấu tạo, có thể chia động cơ bước thành 3 loại:

• Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet stepper-PM type). 
• Động cơ bước có từ trở thay đổi (Variable Reluctance Stepper Motor-VR type).
• Động cơ bước kiểu hỗn hợp hay kiểu lai (Hybrid Synchronous Stepper Motor-HB type).

2.2. Cấu tạo

Động cơ bước có cấu tạo lai giữa động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.

Các loại động cơ bước về cơ bản có cấu tạo giống nhau và gồm 2 phần là: Stator và rotor. Trong đó stator được làm bằng sắt từ và được thiết kế gồm các rãnh trên thân để đặt các cuộn dây. Còn rotor có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc vật liệu dẫn từ (sắt non) có điện trở thay đổi được.

2.2.1. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là nam châm vĩnh cửu, stator có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây. Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau.

Hình 3. Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu:

• Động cơ bước này hoạt động theo nguyên tắc các cực khác nhau thì thu hút nhau và các cực giống nhau thì đẩy nhau. Khi cuộn dây stator được kích với nguồn cấp DC, nó sẽ tạo ra từ thông và thiết lập các cực Bắc và Nam.
• Do lực hút và lực đẩy giữa các cực rôto nam châm vĩnh cửu và các cực của stator, rotor bắt đầu di chuyển lên đến vị trí mà các xung được tạo cho stator.

Hình 4. Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Các bạn có thể quan sát hình ảnh phía trên, một roto và một stator trong đó có dòng điện được đặt để cực A1 bị nhiễm từ về cực nam và cực A2 bị nhiễm từ về cực bắc, do đó hút các cực ngược lại từ nam châm vĩnh cửu của rôto. Nếu chuyển dòng điện từ pha A sang pha B để từ hóa B1 sang cực nam và B2 sang cực bắc thì roto sẽ quay 90° theo chiều kim đồng hồ. 

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, có tốc độ chậm nhưng mô-men khá lớn.

2.2.2. Động cơ bước biến từ trở

Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stator cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Góc bước của stator là 5s.

Rotor của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện rotor vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.

Hình 5. Cấu tạo động cơ bước biến từ trở.

Nguyên lý của động cơ bước biến đổi từ trở được thể hiện như hình phía dưới:

Hình 6. Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến từ trở.

Động cơ bước hoạt động theo nguyên tắc rôto thẳng hàng ở một vị trí cụ thể với đầu của cực kích trong một mạch từ trong đó tồn tại từ trở tối thiểu. Bất cứ khi nào nguồn được cấp cho động cơ và bằng cách kích một cuộn dây cụ thể, nó sẽ tạo ra từ trường của nó và khuếch tán các cực từ của chính nó.

Do từ tính còn lại trong các cực nam châm của rôto, nó sẽ làm cho rôto di chuyển ở vị trí như vậy để đạt được vị trí tối thiểu và do đó một bộ cực của rôto thẳng hàng với bộ cực của stator. Tại vị trí này, trục của từ trường stator khớp với trục đi qua hai cực từ bất kỳ của rotor.

Khi rotor thẳng hàng với các cực của stator, nó có đủ lực từ để giữ cho trục chuyển sang vị trí tiếp theo, theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.

Góc bước có thể được giảm thêm bằng cách tăng số cực trên stator và rotor, trong trường hợp như vậy, động cơ thường được quấn với cuộn dây pha bổ sung. Điều này cũng có thể đạt được bằng cách áp dụng các cấu trúc động cơ bước khác nhau như cơ cấu bánh răng đa cấp và cơ cấu giảm tốc.

2.2.3. Động cơ bước kiểu hỗn hợp hay kiểu lai

Cấu tạo của động cơ bước kiểu hỗn hợp (kiểu lai) là sự kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi. Stator của động cơ bước kiểu hỗn hợp có cấu tạo giống như stator của động cơ bước có từ trở biến đổi. Giống như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, roto của động cơ bước kiểu hỗn hợp là nam châm vĩnh cửu. Một nửa là cực bắc, nửa còn lại là cực nam.

Hình 7. Cấu tạo động cơ bước kiểu hỗn hợp.

Động cơ bước kiểu hỗn hợp được thừa hưởng các ưu điểm của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ trở thay đổi là: Có mô-men hãm, mô-men giữ và mô-men quay lớn. Có tốc độ quay cao hơn, độ phân giải cao hơn. Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp hơn nên giá thành của động cơ bước kiểu hỗn hợp cũng đắt hơn hai loại động cơ bước còn lại.

2.3. Phương pháp điều khiển

Trong điều khiển động cơ bước hiện nay có ba phương pháp thường dùng đó là: Điều khiển động cơ step chạy đủ bước (Full step driver), điều khiển động cơ step chạy nửa bước (Half step driver), điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ (Microstepping driver).

2.3.1. Phương pháp điều khiển chạy đủ bước (Full step driver)

Với phương pháp này có hai cách để điều khiển động cơ bước là: 

• Phương pháp 1 – Một pha ON: Tại một thời điểm động cơ hoạt động bởi một pha được cấp điện. Với chế độ này yêu cầu ít năng lượng nhất từ bộ điều khiển (Step driver).
• Phương pháp 2 – Hai pha ON: Tại một thời điểm động cơ hoạt động bởi hai pha được cấp điện cùng một lúc. Với chế độ này mô men xoắn và tốc độ được cải thiện hơn so với phương pháp một pha ON. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với yêu cầu năng lượng cao hơn từ bộ điều khiển.

Hình 8. Phương pháp điều khiển động cơ bước chạy đủ bước; Một pha ON (a) và Hai pha ON (b).

2.3.2. Phương pháp điều khiển chạy nửa bước (Half step driver)

Đây là sự kết hợp của cả chế độ bước sóng và bước toàn phần. Trong đó, các kích dòng một pha và hai pha được thực hiện xen kẽ; tức là, một pha ON, hai pha ON, … Góc bước trong chế độ này trở thành một nửa của góc bước toàn phần. Chế độ điều khiển này có mô-men xoắn cao nhất và ổn định so với tất cả các chế độ khác. Tham khảo bảng dưới đây.

Hình 9. Phương pháp điều khiển động cơ bước chạy nửa bước.

2.3.3. Phương pháp điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ (Microstepping driver)

Phương pháp điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ cho phép chia bước đủ thành các bước nhỏ hơn. Ví dụ: Với bước đủ là 1.8 độ, có thể chia thành các bước nhỏ với góc bước là 0.007 độ (1.8/256). Điều này đồng nghĩa với việc, để quay hết một vòng 360 độ động cơ sẽ di chuyển với 51429 bước. Nhờ đó, độ chính xác và tốc độ được nâng cao, trong quá trình hoạt động ít xảy ra rung động hơn.

Hình 10. Phương pháp điều khiển động cơ step chạy bước nhỏ.

Microstepping sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển dòng điện tới động cơ. Để điều khiển động cơ step, bộ điều khiển gửi hai sóng sin điện áp, lệch pha nhau 90 độ, đến các cuộn dây của động cơ.

2.4. Ưu và nhược điểm

2.4.1. Ưu điểm

• Ở vị trí đứng yên, động cơ có mô-men xoắn tốt.
• Phản ứng nhạy khi khởi động, dừng và đảo ngược vị trí.
• Tuổi thọ cao, bền bỉ do không có chổi than
• Góc quay của động cơ tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào.
• Điều khiển vòng hở ít tốn
• Tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số xung đầu vào; có thể đạt được một phạm vi tốc độ quay rộng.
• Khi tải được ghép với trục, vẫn có thể nhận ra vòng quay đồng bộ với tốc độ thấp.
• Định vị chính xác và độ lặp lại của chuyển động là tốt
• Lỗi không được tích lũy từ bước này sang bước khác.
• Động cơ bước là an toàn hơn; và chi phí thấp (so với động cơ servo), có mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp; độ tin cậy cao với cấu trúc đơn giản hoạt động ở mọi môi trường.

2.4.2. Nhược điểm

• Động cơ bước có hiệu suất thấp.
• Nó có độ chính xác thấp chưa bằng với động cơ servo
• Momen xoắn của nó giảm rất nhanh với tốc độ.
• Vì động cơ bước hoạt động trong điều khiển vòng hở; không có phản hồi để chỉ ra các bước lỗi.
• Nó có momen xoắn thấp đến tỷ lệ quán tính cao
• Gây nhiều tiếng ồn khi hoạt động.

3. Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor)

3.1. Khái niệm

Động cơ không chổi than hay còn gọi là động cơ DC (Brushless DC motor), là động cơ điện được chuyển mạch bằng điện tử với những nam châm điện dòng DC di chuyển rotor xung quanh stator. Động cơ không chổi than sử dụng bộ điều khiển để tạo ra sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

BLDC motor là động cơ đồng bộ, nghĩa là tốc độ rotor bằng với tốc độ từ trường. BLDC motor được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp tự động, máy in, ô tô, tiêu dùng, y tế và thiết bị đo đạc.

3.2. Cấu tạo

Cũng giống với những động cơ đồng bộ thông thường, những cuộn dây BLDC được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của stator. Những thanh nam châm được gắn chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Điểm khác biệt của động cơ BLDC so với những động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là thiết bị này bắt buộc phải cảm biến vị trí rotor để động cơ có thể hoạt động.

• Stator: Gồm có lõi sắt (những lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, sự đặc biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang.

Hình 11. Stator động cơ DC không chổi than.

• Rotor: Về cơ bản, rotor không khác so với những động cơ nam châm vĩnh cửu khác.
• Hall sensor: Vì đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của động cơ không chổi than cần có cảm biến để xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó, người ta thường sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall sensor, gọi tắt là Hall.

Hình 12. Hoạt động hall sensor

Cần chú ý là Hall sensor được gắn trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor. 

3.3. Nguyên lý hoạt động

Như tên gọi của nó, động cơ DC không chổi than có đặc điểm là không sử dụng chổi than. Với những động cơ có chổi than, chổi điện sẽ truyền dòng điện qua cổ góp để chạy vào các cuộn dây trên rotor. 

Động cơ không chổi than không lan truyền dòng điện đến các cuộn dây rôto bởi vì các cuộn dây này không hề nằm trên rôto. Thay vào đó, roto chính là một nam châm vĩnh cửu, nó có các cuộn dây không quay mà được cố định vào vị trí ở trên stato. Vì các cuộn dây này không di chuyển nên người ta không cần chổi than cũng như cổ góp. 

Trong động cơ không chổi than, người ta sẽ quay nam châm vĩnh cửu bằng cách thay đổi hướng của từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây được sắp xếp đứng yên xung quanh nó. Để điều khiển chuyển động quay đó, bạn cần điều chỉnh độ lớn kết hợp hướng của dòng điện chạy vào các cuộn dây này.

3.4. Ưu và nhược điểm

3.4.1. Ưu điểm

Do được kích từ nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên Rotor khiến:

• Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.
• Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao.
• Tỷ lệ momen quán tính lớn (khả năng tăng gia tốc nhanh).
• Vận hành nhẹ nhàng dù ở vận tốc thấp hay cao.
• Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn.
• Hiệu suất cao.
• Kết cấu gọn.

Đặc biệt nếu như các loại động cơ DC thông thường sử dụng chổi than bị ăn mòn theo thời gian và có thể gây ra tia lửa điện nên không được sử dụng trong các thiết bị yêu cầu độ tin cậy cao. Hiệu quả của các động cơ  thường chỉ đạt 70~75% trong khi hiệu suất của động cơ không chổi than có thể lên đến 90%.

Động cơ DC không chổi than có khả năng kiểm soát tốc độ tốt hơn, thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao (trên 10.000 vòng/phút).

Động cơ không dùng chổi than nên sẽ tiết kiệm được chi phí bảo trì, thay thế chổi than và vành trượt.

3.4.2. Nhược điểm

Động cơ DC không chổi than được làm từ nam châm vĩnh cửu và cảm biến Hall để  điều khiển tốc độ và momen động cơ chính xác, dễ dàng nên có giá thành khá cao . Tuy nhiên với xu hướng sử dụng động cơ không chổi than tăng mạnh nên giá thành động cơ DC không chổi than cũng có xu hướng giảm.