BÁO CÁO KẾT THÚC MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC

Lý do chọn đề tài.Kể từ khi công nghệ điện tử bắt đầu phát triển mạnh mẽ, điều khiển động cơ DC đã trởthành một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng nhất, với sự ứng dụng rộng rãi tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO KẾT THÚC MÔN HỌC

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC

ĐỀ TÀI BÁO CÁO CUỐI KỲ

Điều khiển động cơ điện DC Sử dụng mạch cầu H điều khiển động cơ DC có chổi than.Không sử dụng mạch cầu H bán bên ngoài thị trường Mạch có khả năng thay đổi chiều quayđộng cơ, thay đổi tốc độ động cơ Dùng chế độ xuất PWM của Arduino

Mục Lục

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Giới hạn đề tài 1

1.3 Các bước thực hiện 2

1.4 Kết quả cần đạt: 2

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ 3

2.1 Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đọc xung từ biến trở và xuất ra PWM bằng Aduino 3

2.1.1 Biến trở 3

2.1.2 Transistor 3

2.1.3 Sơ đồ mạch điện và code dùng để đọc giá trị biến trở và xuất ra xung PWM 5

2.2 Phân loại các mạch đảo chiều động cơ DC 7

2.2.1 Mạch đảo chiều động cơ dùng 2 relay 7

2.2.2 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 4 Transistor (mạch cầu H) 8

2.2.2.1 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 4 Transistor NPN 9

2.2.2.2 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 2 Transistor NPN và 2 Transistor PNP 10

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ DC DÙNG 4 TRANSISTOR NPN VÀ LẬP TRÌNH ARDUINO 12

3.1 Thiết kế mạch điện trên Proteus và sơ đồ mạch điện thực tế 12

3.2 Viết chương trình cho Arduino 13

3.3 Nguyên lí của sơ đồ mạch điện và chương trình cho Arduino 14

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 15

4.1 Thực nghiệm 15

4.2 Đánh giá 15

4.3 Nguyên nhân và biện pháp xử lý 15

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài.

Kể từ khi công nghệ điện tử bắt đầu phát triển mạnh mẽ, điều khiển động cơ DC đã trởthành một trong những chủ đề nghiên cứu quan trọng nhất, với sự ứng dụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng Việc tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của

hệ thống điều khiển động cơ DC đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tăng cường hiệusuất làm việc cũng như tiết kiệm năng lượng

Trong phần mở đầu này, chúng tôi sẽ thảo luận về tầm quan trọng của điều khiển động

cơ DC, cung cấp một cái nhìn tổng quan về các ứng dụng thực tế của nó trong ngành côngnghiệp hiện đại và đồng thời đề cập đến một số thách thức mà các nhà nghiên cứu và kỹ sưđang phải đối mặt trong việc áp dụng hiệu quả công nghệ này Chúng tôi cũng sẽ trình bàyphạm vi và mục tiêu của nghiên cứu trong bài viết này, nhằm tạo ra những giải pháp hiệu quả

và thiết thực cho việc ứng dụng điều khiển động cơ DC trong thực tế

Nắm rõ về cách thức hoạt động của các hệ thống này có thể giúp tối ưu hóa hiệu suấtlàm việc, tiết kiệm năng lượng và tăng cường độ ổn định của các hệ thống điện Ngoài ra, điềukhiển động cơ DC cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng công nghệmới, từ tự động hóa trong sản xuất đến các thiết bị điện tử thông minh trong đời sống hàngngày, đặc biệt hơn là ứng dụng rất nhiều trên ô tô

Mong muốn khi nghiên cứu đề tài "Điều khiển động cơ DC" có thể tìm ra những giảipháp hiệu quả và có thể cải thiện hiệu suất và độ ổn định của động cơ Ngoài ra, mong muốncũng có thể hướng đến việc áp dụng kiến thức nghiên cứu vào thực tế để tối ưu hóa trong lĩnhvực ô tô mà ta đang học Đồng thời, mong muốn nghiên cứu có thể đóng góp nhỏ nhoi vàoviệc phát triển các công nghệ mới và tăng cường sự hiểu biết về điều khiển động cơ DC

1.2 Giới hạn đề tài.

Phân tích và mô hình hóa hoạt động của động cơ DC

• Tìm hiểu và nắm rõ về nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

• Sơ đồ mạch điện và lắp mạch

Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển động cơ DC

• Lập trình và mô phỏng quá trình hoạt động

Tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điều khiển (nếu có)

Ứng dụng trong xe ô tô điện: Nghiên cứu về cách sử dụng và điều khiển động cơ DCtrong xe ô tô điện, tập trung vào hiệu suất, tiết kiệm năng lượng và ổn định trong điều kiện địahình và tải trọng khác nhau

Tối ưu hóa hệ thống truyền động: Nghiên cứu về cách tối ưu hóa hệ thống truyền độngtrong ô tô điện, bao gồm cả điều khiển động cơ DC và các thành phần khác như bộ truyềnđộng và hệ thống điều khiển

Tích hợp công nghệ mới: Nghiên cứu về việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệnhân tạo, học máy và tự động hóa vào hệ thống điều khiển động cơ DC trong ô tô để tăngcường hiệu suất và độ tin cậy, và còn rất rất nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực ô tô, chúng ta

có thể tìm hiểu và khai thác nó tùy thuộc vào mục đích sử dụng của riêng một trường hợp nhấtđịnh nào đó

1.3 Các bước thực hiện.

Tìm hiểu về động cơ DC: Nắm vững kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý hoạt động

và các đặc tính của động cơ DC

Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển: Tìm hiểu về các phương pháp điều khiển

cơ bản và nâng cao và các phương pháp điều khiển thông minh khác

Xác định mục tiêu nghiên cứu: Đặt ra mục tiêu cụ thể, tối ưu hóa tốt nhất theo yêu cầuđặt ra của hệ thống điều khiển động cơ DC

Thực hiện phân tích và mô hình hóa: Tiến hành phân tích chi tiết về các yếu tố ảnhhưởng đến hoạt động của động cơ DC và thiết lập mô hình cho hệ thống điều khiển

Thiết kế và thực hiện thử nghiệm: Thiết kế các thử nghiệm để kiểm tra sản phẩm dướicác điều kiện khác nhau kể cả hoạt động hay không hoạt động sau đó thu thập dữ liệu để phântích

Đánh giá và so sánh kết quả: Đánh giá kết quả thử nghiệm và so sánh với các tiêu chuẩnhoặc mục tiêu đặt ra

Viết báo cáo và trình bày kết quả: Tổng hợp kết quả thử nghiệm và viết báo cáo chi tiết

về quá trình thực hiện và kết quả đạt được, sau đó trình bày kết quả

1.4 Kết quả cần đạt:

Khi kết thúc nghiên cứu về đề tài "Điều khiển động cơ DC", một số kết quả cần đạtđược sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và hoạt động của động cơ DC cũng như về các phươngpháp điều khiển động cơ DC Thu thập kinh nghiệm từ các thử nghiệm và phân tích để hiểu rõhơn về hệ thống điều khiển động cơ DC

Kết quả có thể không đạt được như mục tiêu đề ra, nhưng ít nhất mỗi thành viên hiểu rõhơn về điều khiển động cơ DC và học hỏi thêm về những lần thử nghiệm mà các thành viêntrong nhóm đã thực hiện

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ2.1 Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng cách đọc xung từ biến trở và xuất ra PWM bằng Aduino

2.1.1 Biến trở

Chiết áp hay còn có tên gọi khác là biến trở - một loại điện trở có thể thay đổi được trị

số Để đọc giá trị điện áp gây ra bởi một biến trở ta sử dụng Arduino Từ giá trị này, có thểchuyển đổi sang tín hiệu analog để điều khiển giá trị của xung PWM thông qua việc điều chỉnhgiá trị của chiết áp

Hình 1 Sơ đồ mạch đọc giá trị của chiết áp

2.1.2 Transistor.

Khi Arduino hoạt động, điện áp mà nó xuất ra chỉ trong khoảng từ 0 – 5V Điện áp này

là quá nhỏ để điều khiển một động cơ chạy hết công suất Do đó, ta cần thêm một nguồn ngoài

và một Transistor để khuếch đại dòng điện qua Motor

Transistor còn được gọi là Tranzito, là loại linh kiện bán dẫn chủ động Chúng thườngđược sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử Transistor nằm trong khốiđơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiệnđại khác Với khả năng đáp ứng nhanh lẹ và chính xác, nên chức năng Transistor được ứngdụng nhiều trong ứng dụng số như: điều chỉnh điện áp, mạch khuếch đại, tạo dao động hayđiều khiển tín hiệu Từ những sản phẩm quen thuộc như điện thoại, TV, hay các sản phẩm có

sử dụng bộ khuếch đại âm thanh, hình ảnh ta đều thấy được vai trò không thể thiếu củatransistor

*Cấu tạo của Transistor

Về mặt cấu tạo, Transistor được cấu tạo bởi ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thànhhai tiếp giáp P-N Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta đượctransistor loại “PNP” hay còn gọi là Transistor thuận Còn khi ghép một bán dẫn điện dươngnằm giữa hai bán dẫn điện âm ta được Transistor loại “NPN” hay Transistor ngược

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base),lớp bán dẫn này rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp

Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thuhay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hayloại P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

 Xét hoạt động của Transistor NPN

Hình 2: Hoạt động của Transistor NPN [5]

Đầu tiên, cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và(-) nguồn vào cực E

Sau đó, cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong

đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạyqua mối CE (lúc này dòng IC = 0)

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồnUBE qua công tắc  qua R hạn dòng  qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB

Ngay khi dòng IB xuất hiện, ngay lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đènphát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần so với dòng IB

Rõ ràng, dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo công thức sau:

IC = β IBTrong đó:

IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

2.1.3 Sơ đồ mạch điện và code dùng để đọc giá trị biến trở và xuất ra xung PWM

const int potPin = A0; // Chân nối biến trở với chân A0

const int ledPin = 9;

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT);

}

void loop() {

int sensorValue = analogRead(potPin);

// Đọc giá trị từ biến trở nhận vào

int outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255);

// Chuyển giá trị của biển trở nhận vào từ khoảng 0-1023 chuyển tín hiệu đầu ra sang khoảng 0-255

analogWrite(ledPin, outputValue);

delay(10);

}

Sơ đồ kết nối mạch điều khiển tốc độ độngcơ bằng PWM Phương pháp PWM là phương pháp thay đổi độ rộng và chuỗi xung vuông để điều chỉnh điện áp ra tải khiến điện áp thay đổi Các PWM khi biến đổi sẽ có chung một tần

số nhưng khác về độ rộng của sườn dương hoặc sườn âm.

Để có thể điều khiển điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng PWM ta dùng mạch điện tử (cụ thể ở trường hợp này là sử dụng Arduino Uno) để thay đổi độ rộng của xung

ở ngõ ra mà không thay đổi tần số của chúng Điện áp sẽ thay đổi khi độ rộng xung thay đổi.

-Công thức được áp dụng:

U out= T on

T off ×U

• TON là thời gian xung điện áp ở mức cao trong một chu kỳ T

• TOFF là thời gian xung điện áp ở mức thấp trong một chu kỳ T

- Phương pháp này chỉ làm tổn hao công suất trên rất ít thiết bị Khi khóa chuyển mạch tắt thì dòng điện không chạy qua, khi khóa chuyển mạch mở thì dòng điện sẽ chạy qua tải.

2.2 Phân loại các mạch đảo chiều động cơ DC

2.2.1 Mạch đảo chiều động cơ dùng 2 relay

Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 2 relay được mắc như hình

Hình 4 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 2 relay [5]

*Nguyên lí mạch điện:

Khi không nhân nút: mạch điện không được nối mass, động cơ không quay

Khi nhấn nút THUAN: Cuộn dây RL1 được cấp điện, kéo tiếp điểm chân C nối với

chân NO Khi đó dòng điện 12V đi qua động cơ từ phải sang trái và xuống MASS Khi đóchiều động cơ là chiều thuận

Khi nhấn nút NGHICH: Cuộn dây RL2 được cấp điện, kéo tiếp điểm chân C nối với

chân NO Khi đó dòng điện 12V đi qua động cơ từ trái sang phải và xuống MASS Khi đóchiều động cơ là chiều nghịch

*Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm: Mạch đơn giản, dễ dàng mắc dây vì chỉ có 2 Relay trong mạch Công suất củaRelay lớn từ 10A – 25A nên phù hợp với nhiều loại động cơ một chiều

Nhược điểm: Do Relay là công tắt cơ khí nên dễ bị hỏng hóc trong quá trình sử dụng.Quá trình đóng ngắt tạo ra tia lửa điện Tốc độ đóng ngắt thấp thường chỉ dùng để đảo chiềuđộng cơ chứ không dùng để thay đổi tốc độ động cơ

2.2.2 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 4 Transistor (mạch cầu H)

*Khái niệm mạch cầu H

Về tổng quát, mạch cầu H là một mạch điện gồm 4 công tắc được nối theo sơ đồ cóhình chữ H

Các công tắt này có thể là 4 Transistor BJT (2 Transistor NPN và 2 Transistor PNP hoặc 4Transistor NPN), 4 MOSFET,… Tùy theo mục đích ta có thể chọn các kiểu sử dụng các côngtắt này khác nhau.

2.2.2.1 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 4 Transistor NPN

Hình 7 Mạch đảo chiều động cơ DC bằng 4 transistor NPN

về lại mát

Khi điện áp ở B lên mức 1 có dòng điện áp kích vào chân B của transistor Q2 và Q3 làm 2transistor này hoạt động Dòng điện đi từ nguồn 12V, xuống chân C và chân E của Q2 đếnđộng cơ làm động cơ quay từ phải sang trái, dòng điện tiếp tục đi qua chân C và E của Q3 và

về lại mát

Khi khi điện áp ở cả 2 chân A và B cùng lên mức 1, hiện tượng ngắn mạch sẽ xảy ra

*Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm: mạch đóng ngắt với tốc độ cao, thay đổi chiều quay của động cơ liên tục trong thờigian ngắn

Nhược điểm: dễ xảy ra hiện tượng ngắn mạch khi vận hành gây hư hỏng thiết bị

2.2.2.2 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 2 Transistor NPN và 2 Transistor PNP

Hình 8 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 2 transistor NPN và 2 transistor PNP [5]

*Nguyên lý hoạt động

Theo sơ đồ, ta có A và B là hai cực điều khiển được mắc nối tiếp với 2 điện trở hạndòng Tùy vào loại Transistor đang dùng ta chọn điện trở với giá trị phù hợp để tránh cho dòngđiện quá lớn đi qua cực Base của các Transistor và làm hỏng chúng

Ta điều khiển 2 cực này bằng các mức điện áp 12V, 0V tương ứng tín hiệu HIGH vàLOW

Transistor BJT loại NPN dẫn khi điện áp ở cực Base bằng điện áp ở cực Collector, tức12V trong mạch đang xét

Transistor BJT loại PNP dẫn khi điện áp ở cực Base bằng 0V

Ở phía A, Transistor Q1 mở, Q3 đóng Ở phía B, Transistor Q2 đóng, Q4 mở Dòngđiện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về GND Động cơlúc này quay theo chiều thuận (+) sang (-).

TH2: A ở mức HIGH và B ở mức LOW

Ngược lại, phía A thì Transistor Q1 đóng, Q3 mở Ở phía B, Transistor Q2 mở, Q4đóng Dòng điện trong mạch đi từ nguồn 12V đến Q2, qua động cơ đến Q3 để về GND Lúcnày, động cơ quay theo chiều ngược (-) sang (+)

*Ưu điểm và nhược điểm:

+ Ưu điểm: mạch thực hiện đảo chiều quay nhanh chóng, bảo vệ ngắn mạch tránh gây hư hỏng+ Nhược điểm: cấu tạo mạch phức tạp, tổn hao điện áp trên dường dây khá đáng kể

Ngoài ra còn có cầu H dùng 4 MOSFET dùng cho các động cơ có công suất lớn và ICbán dẫn được tích hợp cầu H trong nó, ta chỉ việc cấp xung điều khiển như IC L294, L298, ICSN754410,…

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ DC DÙNG 4

TRANSISTOR NPN VÀ LẬP TRÌNH ARDUINO3.1 Thiết kế mạch điện trên Proteus và sơ đồ mạch điện thực tế

Hình 9 Mạch điện cơ bản được thiết kế bằng Proteus

Chân 5V nối vào cực dương của NGUON DC2 có giá trị 5V

Chân Ground nối với 1 đầu của biến trở và cực âm của NGUON DC1 có giá trị 12V

Chân A0 nối đến chân tín hiện của biến trở

Chân số 5 nối với điện trở R2 và R3

Chân số 6 nối với điện trở R1 và R4

Điện trở R1 nối với chân B của Q1

Điển trở R2 nối với chân B của Q2

Điện trở R3 nối với chân B của Q3

Điện trở R4 nối với chân B của Q4

Chân C của Q1 và Q3 nối với cực dương của NGUON DC1 có giá trị 12V

Chân E của Q1 nối với chân C của Q2 và động cơ

Chân E của Q3 nối với chân C của Q4 và động cơ

Hình 10 Sơ đồ mạch điện điều khiển đảo chiều động cơ bằng cầu H và chiết áp

Sơ đồ mạch điện trên thực tế được mắc như hình trên

3.2 Viết chương trình cho Arduino

3.3 Nguyên lí của sơ đồ mạch điện và chương trình cho Arduino

Arduino đọc giá trị “bientro” của biến trở BT Từ giá trị đó ta có 3 trường hợp:

+ Nếu giá trị “bientro” từ 0 đến 500 thì Arduino băm xung PWM vào chân A6 giá trị từ 255 –

0 (5V – 0V) Chân A6 đưa tín hiệu điện đến các chân Base của transistor Q1 và Q4, 2transistor này cho dòng đi điện đi qua từ chân C xuống E, dòng điện đi qua động cơ từ tráisang phải và xuống MASS Động cơ lúc này quay theo chiều nghịch

+ Nếu giá trị “bientro” trên 500 đến dưới 523 thì Arduino băm xung PWM vào chân A5 và A6giá trị 0 (0V) Không có điện áp đặt vào chân B của 4 transistor nên không có transistor nàodẫn điện, mạch không nối MASS Động cơ không quay

+ Nếu giá trị “bientro” từ 523 đến 1023 thì Arduino băm xung PWM vào chân A5 giá trị từ 0 –

255 (0V – 5V) Chân A5 đưa tín hiệu điện đến các chân Base của transistor Q2 và Q3, 2transistor này cho dòng đi điện đi qua từ chân C xuống E, dòng điện đi qua động cơ từ phảisang trái và xuống MASS Động cơ lúc này quay theo chiều thuận