Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.. Thiết kế mạch kích driver dùng BJT cho 2 cuộn dây của động cơ bước này trong trường hợp cấp nguồn 12V, dòng định mức.. Tính toán chọn lựa lin
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÀI TẬP LỚN SỐ THIẾT KẾ MẠCH KÍCH CHO STEP MOTOR SVTH: Nguyễn Vũ Anh Khoa MSSV: 21146555 GVHD: Nguyễn Minh Triết MÃ LỚP HỌC: Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2023 ĐỀ BÀI -Thông số kỹ thuật động bước KF4234-EN2B801 - Chọn động bước với nội dung sau: MODEL STEP ANGLE VOLTAGE CURRENT WINDING RESISTANCE INDUCTANCE HIGH TORQUE ROTOR INERIA KF4234EN2B801 1.8/step 4.1 V 1.0 A/Phase 4.1 Ω/phase 5.3 mH/Phase 330 mN.m 70 g*c𝑚2 Tiến hành khảo sát thông số động mô phần mềm Proteus/Matlab/PSIM để sau: a Khảo sát step response động cấp nguồn gấp 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 lần điện áp định mức Từ bảng thơng số KF3234-ÈNB801, ta có: U = I.R = 1*4.1 = 4.1 (V) Từ ta xác định được: - Cấp xung điện áp U – điện áp định mức 4.1V - Chọn độ rộng xung (PW) 50% - Chọn f = 10 Hz Trang / 16 step response 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.002 I1 i2 0.004 i3 i4 0.006 i5 0.008 i6 i7 0.01 i8 0.012 i9 i10 Sơ đồ mạch điện mơ b Tìm thời gian đạt 90% dòng định mức (lập bảng số liệu vẽ đồ thị) Nhận xét tần số xung cấp nguồn tối đa trường hợp cấp nguồn áp định mức, gấp 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần định mức Trang / 16 -Dòng định mức I = (A) => I1 = 90%I = 0.9 (A) -Thời gian đạt 90% dòng định mức T1 = 2.23 (ms) WINDING CURRENT(A) STEP RESPONSE 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.002267338, 0.896623 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 TIME(s) step response 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.001 I1 i2 0.002 i3 0.003 i4 0.004 i5 i6 0.005 i7 0.006 i8 i9 0.007 i10 Đồ thị khảo sát step response động cấp nguồn gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần điện áp định mức Trang / 16 -bảng số liệu thời gian đạt 90% dòng định mức sau: STT 10 U [V] 4.1 8.2 12.3 16.4 20.5 24.6 28.7 32.8 36.9 41 T [mS] 2.23 1.17 0.75 0.6 0.47 0.38 0.33 0.29 0.26 0.23 Nhận xét tần số xung tối đa trường hợp cấp nguồn áp định mức, gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần định mức Khi cấp nguồn áp gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần định mức thì tần số xung tối đa tăng dần với cơng thức fmax= 1/2T ta có tốc độ nhanh động hoạt động thời gian đạt 90% dòng định mức đồng nghĩa với việc động chạy xác hơn Bảng tần số thu mức điện áp sau: STT 10 U [V] 4.1 8.2 12.3 16.4 20.5 24.6 28.7 32.8 36.9 41 fmax [Hz] 224 427 666 833 1064 1316 1515 1724 1923 2174 Thiết kế mạch kích (driver) dùng BJT cho cuộn dây động bước trường hợp cấp nguồn 12V, dòng định mức Thiết bị kích chân I/O vi điều khiển STM32F103C8T6 a Vẽ sơ đồ nguyên lý Trang / 16 b Tính tốn chọn lựa linh kiện, giá trị linh kiện (chỉ chọn giá trị linh kiện mua thị trường) đảm bảo an tồn dịng, áp, cơng suất Chọn BJT thỏa mãn yêu cầu sau: -𝑉𝑐𝑒 > 4.1 (V) -𝐼𝑐 max > (A) -𝐼𝑏 < 𝐼𝐼/𝑂 max = 25(mA) Từ yêu cầu sau ta chọn BJT NPN TIP122 -𝐼𝑐 max = (A) -𝑉𝑐𝑒 = 100 (V) -𝑉𝑐𝑒 𝑠𝑎𝑡 = 0.8 (V) -𝑉𝑏𝑒 = 5(V) -𝑉𝑏𝑒(𝑠𝑎𝑡) = 1.5(V) -𝑃𝑐 = 65 (W) -ℎ𝑓𝑒 = 4000 Trang / 16 Để BJT bão hòa ta chọn hệ số bão hòa n = ->𝐼𝑏 = n 𝐼𝑐 ℎ𝑓𝑒 =4 4000 = 0.001(A) Mà 𝐼𝑏 = 1(mA) < 𝐼𝐼/𝑂 max = 25(mA) ->𝑅𝑏 = Vđk−𝑉𝑏𝑒 𝐼𝑏 = (3.3−1.5) 0.001 = 1,8 KΩ Kiểm tra lại kết tính tốn trước mơ phỏng: Với 𝑅𝑏 = 1,8 KΩ, Vđk = 3,3V, Vbe = 1,5 V 𝐼𝑏 = 𝑉đ𝑘−𝑉𝑏𝑒 𝑅𝑏 = 3.3−1.5 1800 = 0.001 A Công suất BJT: 𝑃𝐵𝐽𝑇 = 𝐼𝑐 𝑉𝑐𝑒 + 𝐼𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 1.0,8+ 0,001*1.5=0.8015(W) Tiến hành mô phỏng: Trang / 16 Ib 0.0030 0.0025 0.0020 0.057814975, 0.0021 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Ic 1.0000 0.9000 0.8000 0.7000 0.6000 0.05, 0.9329 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0.005 0.015 0.025 0.035 0.045 0.055 Vbe 1.2 0.030395288, 1.14662 0.8 0.6 0.4 0.2 0.005 0.015 0.025 0.035 0.045 0.055 Trang / 16 VCE 13 12 11 10 0.494294142, 0.783038 0.2 0.4 0.6 0.8 Nhận xét kết tính tốn kết mô phỏng: Dựa mô ta thấy thông số tính tốn giấy có sư chênh lệnh so với kết mô không đáng kể, chủ yếu đến từ đầu Output Vi điều khiển mơ 5V so với thơng tin tính tốn 3.3V 3.Thiết kế mạch câu driver sử dụng MOSFET thay cho BJT a vẽ sơ đồ ngun lý Trang / 16 b Tính tốn lựa chọn linh kiện Thông số tải Vcc = 12V; Iđm = 1A Chọn Mosfet thỏa mãn yêu cầu sau -Vdss > 4.1 (V) -Id max > (A) -Ig < Ii/o max = 25(mA) Từ yêu cầu sau ta chọn MOSFET IRF3708 có thơng số sau -𝐼𝑑𝑚𝑎𝑥 = 62 (A) -𝑉𝑑𝑠𝑠 = 30 (V) -𝑉𝑔𝑠𝑚𝑎𝑥 = 12 (V) -Rds = 0.0012 (Ω) -𝑉𝐺𝑆 = 0,6÷2 (V) Ta có: - 𝑉𝑐𝑐 = 𝐼đ𝑚 *( 𝑅3 + 𝑅2 + 𝑅𝑑𝑠 ) ->𝑅2 = 12 – 𝑅3 – 𝑅𝑑𝑠 = 12 – 4.1 – 0,0012 = 7.9(Ω) Ta tính điện trờ để kích dịng cho MOSFET -𝑅7 = (3.3−1.5) 0.02 = 90(Ω) c Mô kiểm chứng: Đồ thị dòng điện điện áp từ chân vi điều khiển, dịng điện điện áp qua tải kích với tần số 1Khz 10Khz Từ đồ thị chuyển mạch MOSFET, ước lượng tần số tối đa kích MOSFET Tiến hành mô với f = 1kHz Trang 10 / 16 Id 1KHz 0.1500 0.1000 0.0500 0.0000 0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 -0.0500 -0.1000 Giá trị Id có nhiều biến đổi tốc độ xung cao tốc độ chuyển mạch nhanh khoảng thời gian để thực nhanh gây ảnh hưởng đến trình hút làm quay motor bắt đầu khởi động chưa hình thành qn tính nên tần số 1Khz động thực quay Trang 11 / 16 Vds 1KHz 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 Điện áp Vds: Đạt trạng thái ổn định 3,3V Trang 12 / 16 Tiến hành mô với f = 10kHz Id 10Khz 0.150 0.100 0.050 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 -0.050 -0.100 Giá trị Id có nhiều biến đổi liên tục tần số 10Khz khoảng thời gian để thực nhanh gây ảnh hưởng đến trình hút làm quay motor roto Trang 13 / 16 bắt kịp tốc độ hút nhả stato từ không đồng bắt đầu khởi động chưa hình thành qn tính nên tần số 10Khz động thực quay Vds 10Khz 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 Điện áp Vds: Đạt trạng thái ổn định 3,3V Trang 14 / 16 =>Ước lượng tần số tối đa để kích Mosfet dẫn đạt đủ giá trị 𝐼đ𝑚 90% = 0.9A để tạo lực hút tốc độ chuyển mạch nhanh Ở câu ta xác định giá trị fmax mà động thực quay 𝑈đ𝑚 = 12.3(V) =>Để động hoạt động an tồn đảm bảo hiệu lâu dài giá trị f=500Hz giá trị tốt Trang 15 / 16 Id 500Hz 1.000 0.900 0.800 0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Vds 500Hz 3.5 2.5 1.5 0.5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Trang 16 / 16