Hãy tưởng tượng bạn đang điều khiển một chiếc máy bay điều khiển từ xa, nơi những thay đổi nhỏ trong tốc độ động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến tư thế bay của nó. Hoặc hãy hình dung một chiếc xe RC tốc độ cao, nơi khả năng tăng tốc và phanh chính xác hoàn toàn phụ thuộc vào việc kiểm soát tốc độ động cơ chính xác. Tất cả các hoạt động này đều dựa vào một linh kiện điện tử quan trọng - Bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC). Hoạt động như "bộ não" của động cơ, nó nhận lệnh và điều khiển tốc độ động cơ để đạt được các chuyển động phức tạp khác nhau. Bài viết này cung cấp một khám phá toàn diện về các nguyên tắc, loại, ứng dụng và các công nghệ liên quan của ESC.

Bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) là một mạch điện tử được thiết kế để điều khiển tốc độ của động cơ điện. Nó nhận tín hiệu tham chiếu tốc độ từ các hệ thống điều khiển và điều chỉnh đầu ra công suất động cơ cho phù hợp, cho phép điều khiển tốc độ động cơ chính xác. ESC được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ chính xác, bao gồm các mô hình RC, dụng cụ điện và thiết bị tự động hóa công nghiệp.

Chức năng cốt lõi của ESC liên quan đến việc điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện của động cơ dựa trên các tín hiệu tham chiếu tốc độ nhận được để thay đổi tốc độ động cơ. Các nguyên tắc làm việc cơ bản bao gồm:

1. Tiếp nhận tín hiệu tham chiếu tốc độ: ESC nhận tín hiệu tham chiếu tốc độ từ các hệ thống điều khiển, thường ở định dạng Điều chế độ rộng xung (PWM) trong đó độ rộng xung tương ứng với tốc độ động cơ mong muốn.
2. Các phần tử chuyển mạch công suất: ESC sử dụng các phần tử chuyển mạch công suất (thường là bóng bán dẫn hiệu ứng trường - FET) để điều khiển nguồn điện của động cơ, chuyển đổi nguồn DC thành điện áp hoặc dòng điện có thể điều chỉnh được theo độ rộng xung.
3. Điều chế độ rộng xung (PWM): Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động chuyển mạch FET, ESC điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện trung bình của động cơ, với chu kỳ hoạt động cao hơn tạo ra tốc độ động cơ lớn hơn.
4. Truyền động động cơ: Điện áp hoặc dòng điện được điều chỉnh bằng PWM được áp dụng cho các cuộn dây động cơ để điều khiển vòng quay, với các phương pháp khác nhau cho động cơ DC có chổi than so với không chổi than.

ESC được phân loại dựa trên loại động cơ:

Các ESC đơn giản hơn này điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng thông qua chuyển mạch FET của nguồn DC, với một số phiên bản công nghiệp cũng kiểm soát dòng điện cuộn dây trường.

ESC BLDC phức tạp hơn phải tạo ra nguồn AC ba pha được đồng bộ hóa với vị trí rôto, thường sử dụng sáu FET trong cấu hình biến tần ba pha.

Vận hành ESC BLDC bao gồm:

1. Phát hiện vị trí rôto: Sử dụng phép đo EMF ngược, cảm biến hiệu ứng Hall hoặc cảm biến quang học để xác định vị trí rôto.
2. Tạo dòng điện ba pha: Điều khiển sáu FET để tạo ra AC ba pha được đồng bộ hóa thích hợp.
3. Kiểm soát dòng điện: Thực hiện giới hạn dòng điện để ngăn chặn tình trạng quá tải động cơ.
4. Kiểm soát tốc độ: Điều chỉnh tần số và biên độ dòng điện ba pha bằng cách sử dụng các thuật toán PID để điều chỉnh tốc độ chính xác.

ESC hiện đại bao gồm các tính năng nâng cao:

• Khả năng lập trình: Các thông số có thể điều chỉnh bao gồm ngắt điện áp thấp, chế độ khởi động, cường độ phanh, hướng quay và thời gian động cơ.
• Mạch loại bỏ pin (BEC): Điều chỉnh điện áp tích hợp cho nguồn điện của bộ thu/servo, có sẵn trong các phiên bản chuyển mạch tuyến tính hoặc hiệu quả hơn.
• Hệ thống bảo vệ: Các biện pháp bảo vệ quá dòng, quá nhiệt và mất tín hiệu giúp tăng cường an toàn và độ tin cậy.

ESC đóng vai trò quan trọng trong:

• Mô hình RC: Máy bay, ô tô, thuyền và máy bay trực thăng yêu cầu điều khiển động cơ chính xác.
• Máy bay không người lái đa rôto: Yêu cầu phản hồi nhanh, tốc độ làm mới cao và các giao thức truyền thông nâng cao như DShot.
• Dụng cụ điện: Điều chỉnh tốc độ trong máy khoan, cưa và tua vít.
• Tự động hóa công nghiệp: Robot, băng tải và máy CNC cần điều khiển chuyển động chính xác.
• Xe điện: Hỗ trợ các hệ thống phụ trợ như trợ lực lái và bơm.
• Tàu hỏa mô hình: Cho phép điều khiển tốc độ trong các hệ thống tàu hỏa kỹ thuật số.

Các yếu tố lựa chọn chính bao gồm:

• Loại và thông số kỹ thuật của động cơ
• Khả năng tương thích của pin
• Yêu cầu ứng dụng
• Nhu cầu BEC
• Các ràng buộc về kích thước/trọng lượng
• Danh tiếng và chất lượng thương hiệu

Sự phát triển công nghệ ESC bao gồm:

• Cải thiện hiệu quả thông qua các thành phần tiên tiến
• Thu nhỏ kích thước cho các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng
• Các tính năng thông minh nâng cao như điều khiển thích ứng
• Mở rộng ứng dụng trong các công nghệ mới nổi

Dự án VESC mã nguồn mở, do kỹ sư người Thụy Điển Benjamin Vedder khởi xướng, đã được công nhận về chương trình cơ sở có thể tùy chỉnh và giá cả cạnh tranh trong các ứng dụng ESC hiệu suất cao.

Bộ điều khiển tốc độ điện tử đại diện cho các thành phần không thể thiếu trong các hệ thống điện tử hiện đại, mang đến khả năng điều khiển động cơ chính xác trong nhiều ứng dụng khác nhau. Khi công nghệ phát triển, ESC sẽ tiếp tục cho phép các giải pháp điều khiển chuyển động ngày càng tinh vi.