Đang tải... (xem toàn văn)
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU I. Nguyên lý điều khiển động cơ điện 1 chiều. 1. Đặc điểm của Động Cơ một chiều: Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ. Dễ thay đổi tốc độ trong một khoảng khá rộng. Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động cơ không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ở những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ. Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp. Nếu cống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền. Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác. Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay
uDaiHoc.com CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU I Nguyên lý điều khiển động điện chiều Đặc điểm Động Cơ chiều: Động điện chiều có qn tính tương đối nhỏ Dễ thay đổi tốc độ khoảng rộng Cấu tạo phức tạp có chổi quét vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc nơi có khí gas hầm lị, chống cháy nổ Cơng suất động điện chiều thường thấp có cấu tạo phức tạp Nếu cống suất cao cồng kềnh, đắt tiền Hiệu suất không cao so với loại động điện khác Tuy vậy, ưu điểm động điện chiều có nhiều phương pháp thay đổi tốc độ dễ dàng thay đổi tốc độ, chiều quay nên động chiều công suất nhỏ thường sử dụng Theo cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động, điều khiển tốc độ động điện chiều có loại điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động) loại điều khiển mạch hở Hệ truyền động điều khiển tự động có cấu trúc phức tạp, có chất lượng điều khiển cao dải điều khiển rộng so với hệ truyền động hở Ngoài hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động điện chiều phân loại theo truyền động có đảo chiều quay khơng đảo chiều quay Đồng thời tùy thuộc vào phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc góc phần tư, hai góc phần tư bốn góc phần tư 2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, có khả thay đổi tốc độ cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng Từ phương trình tính tốc độ: Φ − Φ = k RI k U uuu ω (1) Suy : để điều chỉnh ω có thể: - Điều chỉnh U - Điều chỉnh Rư cách thêm R p vào mạch phần ứng - Điều chỉnh từ thông Φ 2.1.Điều chỉnh tốc độ dùng thêm R p : Mắc nối tiếp R p vào phần ứng, từ (1) suy Rư tăng lên, suy ω giảm, độ dốc đường đặc tính giảm Các đường 1,2 đường đặc tính sau tăng Rư, đường TN đường đặc tính tự nhiên động ban đầu ω ω o TN M M c Ưu điểm phương pháp đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, thêm R p nên tổn hao tăng, không kinh tế 2.2.Điều khiển từ thơng: Điều chỉnh từ thơng kích thích động điện chiều điều chỉnh moment điện từ động u M K I= Φ sức điện động quay động u EK ω =Φ Khi từ thơng giảm tốc độ quay động tăng lên phạm vi giới hạn việc thay đổi từ thông Nhưng theo công thức Φ thay đổi mơmen, dịng điện I thay đổi nên khó tính xác dịng điêù khiển mơmen tải => phương pháp dùng 2.3.Điều khiển điện áp phần ứng: Thực tế có hai phương pháp để điều khiển tốc độ động điện chiều điện áp: - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Trong thơng thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng Khi thay đổi điện áp phần ứng tốc độ động điện thay đổi theo phương trình sau: Φ − Φ = k RI k U uuu ω Vì từ thơng động khơng đổi nên độ dốc đặc tính khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U u hệ thống, nói phương pháp điều khiển triệt để Đặc tính thu điều khiển họ đường song song : ω ω o ω TN ω 2 M M c Nguyên lý điều khiển: Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp động cơ: Mạch nguyên lý: Trong đồ thị : i dk dòng điều khiển, U điện áp điều khiển t độ rộng xung, t =T-t độ rỗng xung Ta có : U d = U.t /T Để thay đổi U d ta thay đổi độ rộng xung điều khiển ta thay đổi thời gian đóng mở khố K => thay đổi thời gian có dịng t chu kỳ T => độ rộng xung thay đổi Set bit K=1 (đóng) => có i Set bit K=0 (mở) => khơng có i Như ta điều chỉnh tốc độ động II.Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động điện chiều 1 Mạch điều khiển dùng đếm tiến lùi DAC Sơ đồ khối: Trong sơ đồ tín hiệu sau đếm tiến lùi số, tín hiệu điều khiển ĐC phải analog Do ta phải dùng biến đổi DAC (Digital to Analog Converter) để chuyển tín hiệu từ số sang xung Điện áp sau DAC qua khâu khuếch có điện áp thích hợp điều khiển động Thiết kế: DAC : Ta chọn vi mạch DAC DAC 0808 - vi mạch chuyển đổi số - tương tự 8-bit Thời gian chuyển đổi tối đa 150 ns Tiêu thụ công suất 33 mW với nguồn nuôi ±5V Đầu dịng điện có giá trị phụ thuộc vào mã nhị phân đưa vào DAC0808 tương thích giao tiếp với mức logic TTL, DTL hay CMOS Nguồn nuôi vi mạch cho phép khỏang từ -18V đến +18V Dòng vào so sánh 2-5 mA Nhiệt độ làm việc bình thường 0-75°C Trong ứng dụng thông thường, chân 14 nối lên điện áp so sánh Vref thông qua điện trở 5k Sơ đồ chân cách ghép nối DAC0808 mạch trình bày hình sau: Bộ đếm : đầu vào số (A1 đến A8) nối với đầu đếm tiến lùi Bộ đếm bit thành lập cách nối ghép IC đếm 74193 (mỗi IC bit –modun 16) ta đếm modun 16x16 =256: Để khởi động cho đếm ta dùng D-Flip flop 74LS74 hình vẽ Các chân đếm 3,2,6,7 nối trực tiếp với đầu vào DAC Ta giá trị tổ hợp A1÷A8 từ ÷ 255 giá trị điện áp sau DAC tính theo cơng thức: ) 256 2 ( AAA VV refout +++= ) 256 2 ( AAA R V I ref ref out +++= Trong mạch : V ref = +5V, R ref = 5K Để có Uđk động ta dùng khuếch đại đảo LM741 sau DAC: ) 256 2 ( 1/2 AAA V R R RRVU refoutdk +++== Chọn R1 = 1K, R2 thay đổi (để điều chình Udk đầu output thích hợp) Mạch tạo xung : mạch tạo xung để tạo xung đồng cho đếm, đầu mạch tạo xung nối với chân clk Flip-Flop Để tạo xung có cách, ta dùng thạch anh, cần tần số xung thay đổi ta phải thiết kế mạch tạo dao động (ossillator) dùng 555 để tạo xung cho đếm Thiết kế mạch tạo xung 555 theo sơ đồ sau: Xung (chân 555) xung vuông độ rộng T1, độ rỗng T2, chu kỳ T =T1 + T2, tính theo cơng thức: T = 0,693.( Ra + Rb).C T = 0,693 Rb.C => T =0,693.( Ra + 2.Rb).C Tần số f =1/T Ở ta chọn Ra thay đổi (VR) để điều chỉnh Ra => thay đổi T => thay đổi số xung phát 1s Chẳng hạn mạch chọn: Ra = 5K, Rb = 2,2 K; C = 1uF ta xung dao động có : T = 0,693.( Ra + Rb).C = 0,693.( + 2,2) 10 10 -6 = 0,005 s T = 0,693 Rb.C = 0,693 2,2 10 10 -6 = 0,0015 s T =T1 + T2 = 0,0065 (s) tức f = 1/T = 1/0,0065 = 153,8 xung/s Ta lắp led sau chân để kiểm tra xung ra: led sáng Ura=1, ngược lại Ura = 2.Mạch điều khiển tốc độ động chiều đơn giản dùng 555 555 cịn dùng tạo xung theo cách khác lắp thêm điot ngược từ chân lên chân để ngăn dịng qua Rb tụ hố C xả Khi T1 giảm lượng 0,693.Rb.C, cịn T2 không đổi so với trường hợp trên: Nếu theo cách ta điều chỉnh T1, T2 (bằng biến trở) đồng thời mà giữ nguyên T , tức tăng Ra giảm Rb đồng thời lượng độ rộng xung thay đổi mà tần số không đổi ta điều chế độ rộng xung cho mạch điều khiển động Điều làm cách sử dụng thêm biến trở lắp Ra, Rb dùng chân theo sơ đồ sau: Chức linh kiện: LM555: dao động tạo xung PWM R2: điều chỉnh tốc độ động MOSFET IRF510: tầng công suất cho mạch điều khiển Diode D2: triệt xung gai, bảo vệ MOSFET Diode D1 :tạo đường xả độc lập cho tụ C2 Ta có : T = 0,693.Ra C T = 0,693 Rb.C T =0,693.( Ra + Rb).C Nhưng : Ra = R1 + R21 Rb = R3 + R22 R1, R3, R21+R22 =R2 không đổi suy (Ra + Rb) không đổi => T không đổi Một số mạch khác điều khiển tốc độ động chiều dùng phương pháp PWM 3.1 So sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung Sơ đồ mạch: Trong mạch ta có : IC U1c : có chức tạo điện áp chuẩn 6V cho IC: U1a U1d IC U1a : tạo xung vuông IC U1b : tích phân biến đổi xung vng thành xung tam giác IC U1b : so sánh xung tam giác đầu vào với điện áp chiều đầu vào thay đổi nhờ chỉnh biến trở VR1: U6 = 12 72 76 RVR VRRR + ++ Khi thay đổi U6 (bằng cách thay đổi VR) qua mạch so sánh ta độ rộng xung thay đổi => tốc độ động thay đổi Mosfet : tầng khuếch đại cho mạch điều khiển D1 : bảo vệ mosfet, led để kiểm tra xung điều khiển cho động Các tụ C2,C3,C4,C5 : lọc nguồn U2 ( IC 7812) : ổn định điện áp 12V cho nguồn mạch 3.2.Mạch điều khiển tốc độ dùng NE 556 10 Trong mạch : IC NE556 thực chất x IC555 tích hợp cơng nghệ chế tạo bán dẫn ½ 556 đầu nối ghép làm mạch tạo dao động (như phần trên) Chân ½ 556 đầu dùng để ni ½ 556 sau: T =0,693.( Ra + 2.Rb).C ½ NE556 sau dùng để điều chế độ rộng xung, sau NE556 mosfet khuếch đại cho mạch điều khiển Khi thay đổi điện trở Speed 10K, điện trở Cut off điện áp chân 11 (control voltage ) ½ 556 sau thay đổi theo độ rộng điện áp xung (chân 9) thay đổi => điều chế độ rộng xung LM311 so sánh dùng để cắt dòng điều khiển ( => cắt tốc độ – zero speed cut off) điện áp chân 11 (control voltage ) nhỏ địên áp U3 Tính tốn mạch LM311: 11 Ta có: U2 >U3 = )( 19 12 181 V kk kVcc = + KK UVcc K UU 5010 50 310 + − = − => U10 = 103 )312.(5 U U U +=+ − =10,… Như chân 10 ½ 556 sau ln mức cao U2 >U3 tức ½ NE556 sau hoạt động U2> U3 Còn U2 cắt dịng điều khiển cho động Việc cắt dòng điều khiển cho động cần thiết bởI điện áp chân 11 nhỏ cỡ 12/19 =0,61 V gần tốc độ động -> (độ rộng xung nhỏ) xung gai điện áp chí U2=0, V có gai để bảo vệ động cần phải cắt dòng điều khiển Vi mạch LM3524 Các đặc điểm (Features) LM 3524/2524 : - Có đầy đủ đặc tính họ LM3524 chuẩn - Độ xác ± % với điện áp chuẩn V - Đầu có dịng điện tới 200 mA DC - Điện áp đầu đến 60V DC - Đầu vào có độ rộng chung cho error-Ampli (xem Block diagram) - Tại thời điểm có xung xác định ( triệt xung nhiễu - ồn) - Cải thiện khả làm việc tần số cao - Khả triệt xung gai gấp hai lần - Đồng hóa xung qua chân Sơ đồ chân: 12 TaiLieuDaiHoc.com ...uDaiHoc.com CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU I Nguyên lý điều khiển động điện chiều Đặc điểm Động Cơ chiều: Động điện chiều có qn tính tương đối nhỏ Dễ thay đổi tốc độ khoảng... khiển hệ truyền động, điều khiển tốc độ động điện chiều có loại điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động) loại điều khiển mạch hở Hệ truyền động điều khiển tự động có cấu trúc... dịng điều khiển cho động Việc cắt dòng điều khiển cho động cần thiết bởI điện áp chân 11 nhỏ cỡ 12 /19 =0, 61 V gần tốc độ động -> (độ rộng xung nhỏ) xung gai điện áp chí U2=0, V có gai để bảo vệ động