Điều khiển tốc độ motor DC là vấn đề được nhiều người quan tâm hiện nay khi mà máy móc đã dần thay thế trong tất cả các khâu của quá trình sản xuất để đem lại năng suất cao hơn. Vậy, việc điều khiển tốc độ motor DC bằng Arduino dễ hay khó? Cùng tìm hiểu nhé!
1. Motor DC là gì ?
Trong quá trình điều khiển tốc độ motor DC bằng Arduino, vấn đề mà chúng ta quan tâm chính là motor DC. Vậy, motor DC là gì?
Động cơ một chiều motor DC (DC là viết tắt của từ tiếng Anh “Direct Current Motors”) là động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng xác định. Hay nói cho dễ hiểu hơn thì motor DC là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp 1 chiều DC khác với nguồn điện áp AC là điện xoay chiều.
Bạn đang xem: Mạch điều khiển tốc độ động cơ
Đầudây ra của động cơ DC thườngbao gồm 2 dây (dây nguồn ký hiệu VCC và dây tiếp đất ký hiệu GND). Nói chung, DC motor là 1 động cơ điện một chiều với cơ năng chuyển động quay liên tục.
DC là 1 động cơ điện một chiều với cơ năng chuyển động quay liên tục
Động cơ điện 1 chiều DC được phân loại theo kích từ để thành những loại sau:
Kích từ độc lập.Kích từ nối tiếp.Kích từ hỗn hợp.Kích từ song song.2. Ứng dụng của motor DC
Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của motor DC:
Robot và tự động hóa: Motor DC được sử dụng rộng rãi trong robot và hệ thống tự động hóa. Chúng có thể điều khiển chính xác vị trí và tốc độ quay, giúp máy móc di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.Thiết bị gia dụng: Motor DC được sử dụng trong nhiều thiết bị gia dụng như máy lọc không khí, máy sưởi, quạt, máy giặt và máy hút bụi. Chúng cung cấp sức mạnh cần thiết để làm việc với hiệu suất cao và điều chỉnh tốc độ.Điều khiển xe điện: Motor DC là công nghệ chủ đạo được sử dụng trong xe điện như xe đạp điện, xe mô tô điện và ô tô điện. Chúng cung cấp sức mạnh cho hệ thống động cơ và được điều khiển để điều chỉnh tốc độ và lượng điện năng tiêu thụ.Hệ thống điều khiển tàu và máy bay: Motor DC được sử dụng trong hệ thống điều khiển tàu và máy bay để điều chỉnh vị trí, hướng và tốc độ. Chúng cung cấp độ chính xác và phản hồi nhanh cho các hệ thống này.Máy móc công nghiệp: Motor DC được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp như máy gia công kim loại, máy in, robot công nghiệp và băng chuyền tự động. Chúng có thể cung cấp mô-men xoắn lớn và tốc độ đáng tin cậy cho các quy trình sản xuất.Thiết bị y tế: Motor DC được sử dụng trong nhiều thiết bị y tế như máy quét MRI, máy xạ trị, máy hút dịch và máy phẫu thuật. Chúng cung cấp sự chính xác và độ tin cậy trong việc điều khiển chính xác các phương pháp y tế.Thiết bị điện tử: Motor DC được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử như máy ảnh, máy quay phim, ổ đĩa CD/DVD và máy in. Chúng cung cấp chuyển động cho các cơ cấu và bộ phận di chuyển trong các thiết bị này.3. Ưu điểm của motor DC
Motor DC có một số ưu điểm quan trọng, bao gồm:
Điều khiển dễ dàng: Motor DC có thể được điều khiển dễ dàng và linh hoạt. Tốc độ và hướng quay của motor DC có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện đầu vào hoặc đảo chiều dòng điện.Tốc độ đáp ứng nhanh: Motor DC có thể đáp ứng nhanh chóng khi có sự thay đổi trong điện áp hoặc dòng điện đầu vào. Điều này cho phép nhanh chóng điều chỉnh tốc độ và vị trí của motor DC.Mô-men xoắn khởi động cao: Motor DC cung cấp mô-men xoắn khởi động cao, đặc biệt khi được sử dụng với nguồn cấp điện đúng và các phương pháp điều khiển phù hợp. Điều này làm cho motor DC phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khởi động mạnh mẽ, chẳng hạn như trong các máy nâng hàng hoặc thiết bị công nghiệp.Tính năng tải nhẹ: Motor DC có thể xử lý tải nhẹ một cách hiệu quả. Với tải nhẹ, motor DC có thể duy trì tốc độ và vận hành ổn định.Kích thước nhỏ gọn: Motor DC có thiết kế nhỏ gọn, nhẹ và không yêu cầu nhiều không gian. Điều này giúp nó dễ dàng tích hợp vào các thiết bị và hệ thống có kích thước hạn chế.Chi phí thấp: So với một số loại motor khác như motor AC, motor DC có chi phí thấp hơn trong việc sản xuất và vận hành. Điều này làm cho motor DC trở thành một lựa chọn kinh tế trong nhiều ứng dụng.4. Cấu tạo của motor DC
Motor DC có cấu tạo đơn giản gồm các thành phần chính sau:
Củ động cơ: Củ động cơ là phần quay của motor DC. Nó bao gồm một trục và một tập hợp các nam châm hoặc cực nam châm trên bề mặt. Khi dòng điện được chạy qua cuộn dây của động cơ, tạo ra lực từ giữa cuộn dây và cực nam châm, làm cho củ động cơ quay.Đếm dây: Đếm dây là một thành phần quan trọng để chuyển đổi hướng dòng điện trong motor DC. Nó bao gồm một loạt các lá kim loại hoặc than chì được nối với cuộn dây của động cơ. Khi củ động cơ quay, đếm dây kết nối dòng điện từ nguồn điện đến cuộn dây của motor DC để duy trì sự quay và đảo chiều quay.Cánh tay chổi: Cánh tay chổi là các cần cứng được làm từ than chì hoặc graphite và tiếp xúc với đếm dây. Chúng giúp cung cấp dòng điện cho đếm dây và duy trì liên lạc điện trong motor DC.Cuộn dây: Cuộn dây là một tập hợp các dây dẫn dòng được bọc xung quanh củ động cơ. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra lực từ tương tác giữa dòng điện và cực nam châm, gây ra quay của motor DC.Nam châm cố định: Nam châm cố định là một tập hợp các nam châm hoặc cực nam châm không di động được đặt xung quanh củ động cơ. Khi cuộn dây được kích hoạt bởi dòng điện, sự tương tác giữa cuộn dây và nam châm cố định tạo ra lực đẩy, đẩy củ động cơ quay.5. Điều khiển động cơ DC bằng Arduino
Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách điều khiển tốc độ motor DC bằng Arduino. Chúng ta cũng nên xem xét một số kỹ thuật cơ bản để có thể điều khiển được động cơ DC và thông qua 2 ví dụ đó là cách điều khiển động cơ DC bằng trình điều khiển L298N và board mạch điều khiển Arduino.
a) Mạch điều khiển tốc độ motor
PWM DC
PWM hay phương pháp thay đổi độ rộng xung là 1 kỹ thuật giúp cho chúng ta điều chỉnh giá trị trung bình hiện tại của điện áp chạy đến thiết bị điện tử bằng cách bật tắt nguồn với một tốc độ nhanh. Điện áp trung bình còn phụ thuộc vào chu kỳ của xung hoặc là lượng thời gian tín hiệu BẬT trong tương quan với lượng thời gian tín hiệu TẮT trong cùng một khoảng thời gian được quy định.
Vì vậy, còn tùy thuộc vào kích thước cụ thể của động cơ, chúng ta có thể chỉ cần kết nối đầu ra của Arduino vào chân của điện trở hoặc Mosfet và tiến hành điều khiển tốc độ của motor bằng cách điều khiển đầu ra của PWM. Tín hiệu Arduino có công suất thấp được bật tắt chân tại Mosfet, qua đó động cơ công suất cao sẽ được điều khiển.
Lưu ý:Bạn cần kết nối Arduino GND với nguồn cung cấp năng lượng của động cơ GND.
Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ PWM DC
b) Điều khiển động cơ DC bằng mạch cầu H
Để điều khiển hướng quay của motor, chúng ta chỉ cần đảo ngược lại hướng của dòng điện chạy qua động cơ bằng cách sử dụng mạch cầu H. Một mạch cầu H chứa 4 chân được chuyển mạch, điện trở hoặc Mosfet cùng với động cơ ở trung tâm sẽ tạo thành một cấu hình trong giống như hình chữ H. Bằng cách kích hoạt 2 chiếc công tắc cùng một lúc, chúng ta đã có thể thay đổi hướng đi của dòng điện, đồng thời thay đổi được hướng quay của động cơ.
Nếu chúng ta kết hợp được 2 phương thức PWM và HBridge thì sẽ có thể kiểm soát hoàn toàn tốc độ động cơ DC. Có nhiều trình điều khiển tốc độ động cơ DC có các tính năng độc đáo này và L298N cũng là một trong số đó.
Sơ đồ điều khiển động cơ DC bằng mạch cầu H
c) Bộ điều khiển tốc độ motor DC Chip L298N
L298N là trình để điều khiển động cơ HBridge kép cho phép chúng ta điều khiển tốc độ và hướng quay của 2 động cơ DC cùng 1 lúc. Mô đun có thể điều khiển được động cơ DC mà vẫn có điện áp trong khoảng từ 5 35V cùng với dòng điện cực đại có thể lên đến 2A.
Khi đó, chúng ta cần xem xét kỹ hơn về sơ đồ phần chân của mô đun L298N để giải thích được cách thức, nguyên lý hoạt động của nó. Mô đun này có 2 nhóm chân dành riêng cho động cơ A và B và 1 chân ở giữa dành cho chân Ground và VCC cho động cơ cùng với chân 5V có thể được xem là đầu vào hoặc đầu ra.
Điều này còn phụ thuộc vào điện áp đang được sử dụng ngay tại động cơ VCC. Mô đun này có tới 5 bộ điều chỉnh 5V trên board mạch được bật/ tắt bằng cách sử dụng sợi dây nối. Nếu điện áp cung cấp của động cơ lên đến 12V thì chúng ta có thể kích hoạt được bộ điều chỉnh 5V và chân 5V lúc này có thể được sử dụng để làm đầu ra để cấp nguồn cho board mạch Arduino.
Nhưng nếu điện áp của động cơ lớn hơn giá trị 12V, chúng ta cần phải ngắt kết nối dây vì điện áp cao quá sẽ làm hư hỏng bộ điều chỉnh 5V ở trên board. Trong trường hợp này, phần chân 5V sẽ được dùng để làm đầu vào vì chúng ta đang cần kết nối nó vào nguồn điện 5V để cho IC có thể hoạt động bình thường.
Chúng ta cần lưu ý rằng, con IC này sẽ làm giảm điện áp xuống còn khoảng 2V. Vì vậy, nếu bạn sử dụng nguồn điện 12V thì điện áp tại các chân của động cơ sẽ còn vào khoảng 10V. Điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ không thể cung cấp được tốc độ tối đa cho đầu ra của động cơ DC.
Các chân ở nút Bật A và Bật B thường được sử dụng để có thể bật và kiểm soát tốt tốc độ của động cơ. Nếu 1 dây có mặt trên của chân này, động cơ sẽ được kích hoạt và thực hiện hoạt động ở tốc độ tối đa. Nhưng nếu chúng ta loại bỏ dây này đi thì có thể kết nối thêm 1 đầu vào PWM cùng với chân này và có thể kiểm soát được tốc độ của động cơ. Còn nếu muốn kết nối chân này với Ground thì cần lưu ý rằng động cơ cũng sẽ bị vô hiệu hóa.
Nếu đầu vào 1 nằm ở mức THẤP và đầu vào 2 nằm ở mức CAO thì động cơ sẽ di chuyển ngay về phía trước. Ngược lại, nếu như đầu vào 1 đang nằm ở mức CAO và đầu vào số 2 đang ở mức THẤP thì động cơ sẽ di chuyển theo hướng lùi. Trong trường hợp cả 2 đầu vào đều có giá trị giống nhau, đều THẤP hoặc đều CAO, động cơ lúc này sẽ dừng. Điều tương tự sẽ được áp dụng cho đầu vào số 3 và 4 và động cơ B.
d) Mạch điều khiển tốc độ motor DC Arduino và L298N
Bây giờ hãy thực hiện một số ứng dụng trong thực tế. Ngay trong ví dụ đầu tiên, chúng ta đã điều khiển tốc độ của động cơ DC bằng biến trở và tiến hành thay đổi hướng quay bằng 1 nút ấn theo sơ đồ mạch. Vì vậy,chúng ta cần sử dụng một trình điều khiển L298N, 1 động cơ DC, biến trở, nút ấn và mạch board Arduino.
Các linh kiện cần thiết như:
Bộ điều khiển L298N,Động cơ DC 12V,Board Arduino,Breadboard và dây nối.e) Sơ Đồ Điều khiển xe Arduino bằng bộ điều khiển L298N
Tất cả những gì chúng ta cần chuẩn bị đó là 2 motor DC, trình điều khiển L298N, board Arduino và cuối cùng là cần điều khiển. Về nguồn điện, hãy chọn sử dụng 3 pin Liion 3.7V để có thể cung cấp điện áp tổng cộng là 11V. Làm cho chiếc khung xe bằng ván ép dày thêm 3mm, sau đó gắn các động cơ vào đó bằng 1 chiếc khung kim loại. Cuối cùng, gắn bánh xe vào trong động cơ và phía trước bạn gắn 1 bánh xe xoay.
Bây giờ chúng ta hãy quan sát xem code Arduino sẽ hoạt động như thế nào nhé.
Sơ đồ điều khiển xe Arduino bằng bộ điều khiển L298N
Sau khi xác định được các chân, trong phần vòng lặp, các bạn hãy bắt đầu với việc đọc tất cả các giá trị của trục X và Y trong phím điều khiển. Cần điều khiển được làm bằng 2 biến trở lúc này sẽ được kết nối với đầu vào analog của hệ điều khiển Arduino và chúng sẽ có giá trị từ 0 1023. Khi cần điều khiển đạt đến vị trí trung tâm, giá trị của cả 2 loại biến trở hoặc trục sẽ ở vào khoảng 512.
Tăng thêm một dung sai có giá trị từ 470 550 là chính, nếu tiến hành di chuyển trục Y của phím điều khiển chạy lùi xuống phía dưới số 470, chúng ta sẽ đặt hướng quay của 2 động cơ chạy về phía sau bằng 4 chân đầu vào. Sau đó, thực hiện chuyển đổi các giá trị cho nó giảm dần từ 470 0 thành quá trình tăng giá trị PWM lên từ 0 255, đây chính là tốc độ của động cơ.
Xem thêm: Sữa non colostrum milk powder 100g, colostrum milk powder goodhealth 100g
Tương tự, nếu tiến hành di chuyển trục Y của chiếc cần điều khiển về phía trước và giá trị của nó vượt quá 550, lúc này bạn sẽ có các động cơ đang di chuyển về phía trước và có sự chuyển đổi số từ 550 1023 để trở thành giá trị PWM từ 0 255. Nếu chiếc cần điều khiển nằm ở giữa thì tốc độ động cơ sẽ được tính bằng 0.
Tiếp theo, sử dụng trục X cho hệ điều khiển ơ bên trái và ở bên phải của xe. Vì vậy, chúng ta cần chuyển đổi số đọc của trục X thành giá trị tốc độ dao động từ 0 255. Để di chuyển sang phía bên trái, bạn cần sử dụng giá trị này để có thể làm giảm tốc độ động cơ ở phía bên trái và tăng cường tốc độ động cơ ở bên phải. Ở đây, do đặc trưng của các hàm số học, bạn cần sử dụng hai câu lệnh if để tiến hành giới hạn phạm vi tốc độ của động cơ nằm trong khoảng từ 0 255. Tùy thuộc vào lượng điện áp ứng dụng và động cơ chính nằm ở tốc độ thấp hơn, động cơ sẽ không thể di chuyển và khi đó nó sẽ tạo ra âm thanh ù ù. Trong trường hợp này, các động cơ cũng sẽ không thể di chuyển nếu như giá trị của tín hiệu PWM chỉ đạt dưới 70.
Kết luận
Điều khiển tốc độ motor DC bằng Arduino sẽ không là vấn đề gì nếu bạn tuân thủ các hướng dẫn trong bài viết trên. Khi đó, hãy sử dụng hai câu lệnh if mà chúng tôi đã giới hạn nằm ở phạm vi tốc độ từ 70 255. Cuối cùng, bạn chỉ cần gửi tốc độ động cơ cuối cùng hoặc đơn giản là tín hiệu PWM đến các chân đã được cho phép của trình điều khiển L298N là được.
Các khóa họcDịch vụ
Lập trình và Sửa chữa PLCLập trình và Sửa chữa HMICung cấp thiết bị tự động hóa
Phần mềm
5 MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ MOTOR DC
Trong bài viết hôm nay, canthiepsomtw.edu.vn xin chia sẻ tới bạn 5 mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều, đó là:
1. Sơ đồ mạch điều khiển tốc đô động cơ DC 12V dùng Mosfet đơn giản
2. Mạch điều khiển tốc độ Motor dùng IC555
3. Sơ đồ mạch điều khiển tốc dộ motor DC bằng arduino
4. Mạch cầu H dùng 4 mosfet kênh N
5. Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ motor DC dùng module L29
Cùng phân tích ưu điểm, nhược điểm và nguyên lý hoạt động để hiểu hơn về từng mạch dưới đây.
1/ Mạch điều khiển tốc độ motor DC 12V dùng Mosfet đơn giản
Mạch điện đơn giản điều khiển động cơ DC bằng Mosfet: Điều chỉnh tốc độ bằng biến trở.
Dựa trên nguyên lý cầu phân áp, điều chỉnh điện áp ở cực G để điều khiển Mosfet. Điện áp phân áp tăng thì điện áp rơi trên Mosfet giảm, tốc độ động cơ tăng lên.
Mạch điều khiển tốc độ motor DC 12V dùng Mosfet đơn giản
Mạch điện đơn giản chỉ với vài linh kiện có thể thay đổi điện áp động cơ DC 12 V công suất nhỏ. Nhược điểm mạch này là công suất nhỏ do điện áp rơi trên Mosfet lớn, nếu động cơ lớn sẽ làm nóng mau chết Mosfet. Thiết kế này làm Mosfet không dẫn bảo hòa nên động cơ không thể đạt tốc độ đối đa.
2/ Mạch điều khiển tốc độ motor dùng IC555
IC NE555 nhận xung điện áp có dạng xung răng cưa do mạch R, C tạo ra tại chân 2, 6. Sau khi qua IC555 ta được xung vuông, có độ rộng xung có thể thay đổi được. Tần số xung điện phụ thuộc vào giá trị R, C.
IC555 tạo ra xung PWM điều khiển đóng mở Mosfet công suất. Tốc độ động cơ một chiều sẽ phụ thuộc vào độ rộng xung PWM.
Mạch điều khiển tốc độ motor dùng IC555
+ Ưu điểm: Không cần phải lập trình, mạch giá rẻ nhưng công suất lớn. Dãy điều khiển tốc độ rộng và hiệu suất cao. Điều khiển được động cơ có điện áp cao.
+ Nhược điểm: Mạch khá phức tạp, không thể điều khiển chiều động cơ.
3/ Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ motor DC bằng arduino
Tương tự với mạch điều khiển bằng IC555, chỉ khác ở mạch điều khiển dùng vi điều khiển Arduino thay vì IC555. Arduino có khả năng tạo xung PWM có tần số 490Hz và 980Hz.
Mạch điều khiển tốc độ motor DC bằng arduino
+ Ưu điểm: Mạch đơn giản, có công suất và hiệu suất cao. Vì được lập trình nên có thể dễ dàng thay đổi bằng phần mềm. Và có thể mở rộng thêm các ứng dụng khác chạy song song.
+ Nhược điểm: Arduino UNO có giá cao hơn so với mạch dùng IC555. Cần lập trình cho Arduino đọc giá trị biến trở và xuất xung PWM. Không thể đảo chiều động cơ.
4/ Mạch cầu H dùng 4 Mosfet kênh N
Chức năng của mạch cầu H là điều khiển chiều và tốc độ động cơ một chiều.
+ Phần điều khiển có thể dùng vi điều khiển hoặc IC555 phát xung PWM. Tốc độ động cơ tăng khi thay đổi độ rộng xung từ 50% về 0 hoặc 100%. Động cơ đảo chiều quay khi độ rộng xung thay đổi qua cột mốc 50%.
+ Phần mạch lái dùng IC IR2103 để đảm bảo khi dẫn các Mosfet dẫn bảo hòa, tăng hiệu suất cho mạch.
+ Mạch công suất dùng 4 Mosfet công suất lớn để phù hợp cho cả tải động cơ lớn.
Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ motor dc bằng mạch cầu H
+ Ưu điểm mạch điều khiển và động lực được cách ly tốt nên điện áp phần điều khiển không phụ thuộc phần mạch công suất. Do đó điều khiển được động cơ công suất lơn, điện áp lên đến 220V. Điều khiển đảo chiều động cơ bằng biến trở.
+ Nhược điểm: Mạch điện phức tạp, cần có kiến thức cơ bản về điện tử để làm mạch này.
5/ Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ motor dc dùng module L298
Module L298 là mạch điện dùng IC L298 được tích hợp sẵn để người dùng dễ sử dụng. Một module có thể điều khiển độc lập 2 động cơ cùng lúc. IC chính L298 có cấu tạo gồm hai mạch cầu H Transitor.
Sơ đồ mạch điều khiển tốc độ motor dc dùng module L298
+ Mạch có thể điều khiển chiều và tốc độ hai động cơ độc lập. Điện áp cấp tối đa là 35V và dòng điện không quá 2A cho mỗi động cơ.
+ Ưu điểm: Điều khiển độc lập 2 động cơ một chiều hoặc một động cơ bước. Giá thành rẻ và mạch nhỏ gọn, đơn giản đấu nối.
+ Nhược điểm: Để điều khiển được hai động cơ độc lập thì thông thường cần sử dụng thêm vi điều khiển. Công suất của mạch nhỏ, chỉ áp dụng cho động cơ công suất nhỏ, điện áp thấp.
| Lời kết:
Trên đây, canthiepsomtw.edu.vn đã cùng bạn phân tích chi tiết về ưu điểm, nhược điểm và nguyên lý của 5 mạch điều khiển tốc độ Motor DC.
Để hiểu rõ hơn về điều khiển tốc độ Motor DC hay các nội dung khác về điều khiển động cơ Step, Servo, mời bạn tìm hiểu ngay 2 khóa học từ cơ bản tới nâng cao của canthiepsomtw.edu.vn:
1. Khóa Lập Trình PLC Mitsubishi tại đây
2. Khóa Lập trình PLC Siemens tại đây
Với thời lượng thực hành tới 80% cùng trang thiết bị đầy đủ và đa dạng,các khóa học sẽ giúp bạn vỡ ra được nhiều kiến thức cũng như trải nghiệm thực chiến như khi làm việc trong một nhà máy hay dây chuyền sản xuất thực tế.
