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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

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

ĐỀ TÀI PROJECT 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 quay động cơ, thay đổi tốc độ động cơ Dùng chế độ xuất PWM của Arduino.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 6

2.1 Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp đọc giá trị chiết áp và xuất ra xung PWM bằng Arduino 6

2.1.1 Đọc giá trị của chiết áp 6

2.1.2 Khái quát về vai trò và chức năng transistor trong mạch điện 6

2.1.3 Sơ đồ mạch điện và code dùng để đọc giá trị biến trở và xuất ra xung PWM 8

2.2 Phân loại các mạch đảo chiều động cơ DC 9

2.2.1 Mạch đảo chiều động cơ dùng 2 relay 9

2.2.2 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 4 Transistor (mạch cầu H) 10

2.2.2.1 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 4 Transistor NPN 11

2.2.2.2 Mạch đảo chiều động cơ DC dùng 2 Transistor NPN và 2 Transistor PNP 12

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ LẬP TRÌNH ARDUINO 13

3.1 Thiết kế mạch điện trên Proteus và sơ đồ mạch điện thực tế 13

3.2 Viết chương trình cho Arduino 14

3.3 Nguyên lí của sơ đồ mạch điện và chương trình cho Arduino 15

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Lý do chọn đề tài

Trong xã hội phát triển không ngừng hiện nay, nhu cầu học tập, nghiên cứu và phát triển các ứng dụng khoa học công nghệ vi điều khiển phát triển mạnh mẽ và không ngừng Cùng với sự phát triển vượt trội thì vấn đề điều khiển động cơ 1 chiều không phải là một rào cản nữa Giờ đây, việc điều khiển động cơ nhanh chậm, đảo chiều, với nhiều cấp độ khác nhau và điều khiển dừng hết sức dễ dàng và hiệu quả Nhận thấy động cơ DC có một vai trò không thể thiếu trong các hệ thống công nghiệp hiện đại ngày nay, việc điều khiển động cơ một chiều hiện đang là một trong những ưu tiên hàng đầu trong các cấu trúc, các hệ thống cơ khí, ô tô và các robot thông minh Và trong thực tế, không ít các công trình vận dụng việc điều khiển động cơ một chiều như: cân bằng trong chế tạo robot người, xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, tàu thuỷ, và trong nhiều ngành công nghiệp khác Sự gia tăng về quy mô ứng dụng đòi hỏi ngày càng nhiều công trình sử dụng điều khiển động cơ một chiều Vì thế, nó là vấn đề đang được quan tâm Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày càng có nhiều nghiên cứu áp dụng các thuật toán, vi xử lý, điện tử học Để điều khiển động cơ trở nên thuận tiện, chính xác và hiệu quả hơn, để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thực tế cuộc sống.

Từ những vấn đề trên, nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài “Điều khiển động cơ điện DC” để tổng hợp những kiến thức tổng quát nhất liên quan đến động cơ điện DC và các phương thức điều khiển phù hợp Ngoài ra, việc vận dụng tốt công cụ Arduino trong đề tài này giúp nhóm mô phỏng hệ thống tương đối trực quan, thực tế giúp hiểu rõ về nguyên lí, tính chất để vận dụng phát triển đề tài, hướng tới việc điều khiển động cơ điện DC một cách hiệu quả, phục vụ môn học cũng như có kiến thức để áp dụng vào thực tế.

1.2 Kế hoạch thực hiện đề tài

Kế hoạch được chia thực hiện trong vòng 5 tuần: Tuần 1: (31/10/2022 - 6/11/2022)

Tìm hiểu và thực hiện về tổng quan của động cơ điện DC, lý do chọn đề tài, kế hoạch thực hiện, kết quả dự kiến của đề tài

Tuần 2: (7/11/2022 – 13/11/2022) Chuẩn bị dụng cụ cần thiết để làm đề tài

Tìm hiểu và thực hiện về các cơ sở lý thuyết áp dụng cho đề tài

Trần Bá Thông 20145625 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính toán, kết luận Phan Huy Nam 20145553 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, chế tạo mạch, thử

Phạm Đoàn Quang Khánh 20145069 Nghiên cứu lập trình Aruino, lắp đặt vào mạch, thử nghiệm

Nguyễn Minh Trí 20145305 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, soạn thảo báo cáo, kiểm tra, đánh giá

Đoàn Duy Khôi 20145088 Nghiên cứu lập trình Arduino, viết code, kiểm tra, đánh giá

Bảng phân công nhiệm vụ và công việc

1.3 Phương pháp thực hiện

- Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực tế - Thu thập các kiến thức trên internet và sách tham khảo

- Xem các kênh bổ ích cho việc lập trình và hoạt động của động cơ điện DC - Vận dụng những kiến thức cơ bản đã học áp dụng vào thực hành

- Sử dụng Arduino, phần mềm chuyên dụng (Arduino IDE) để thực hiện viết code và nạp code - Trao đổi với thầy khi gặp khó khăn trong việc nghiên cứu và thực hiện đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp đọc giá trị chiết áp và xuất ra xung PWM bằng Arduino

2.1.1 Đọc giá trị của chiết áp

Chiết áp còn được gọi là biến trở - một loại điện trở có thể thay đổi được trị số Ta sử dụng Arduino để đọc giá trị điện áp gây ra bởi một biến trở Từ giá trị này ta có thể chuyển đổi sang tín hiệu analog để điều khiển được giá trị của xung PWM bằng cách thay đổi giá trị của chiết áp.

Hình 1 Sơ đồ mạch đọc giá trị của chiết áp Để đọc được giá trị của chiết áp, ta lắp mạch điện theo sơ đồ như hình trên.

2.1.2 Khái quát về vai trò và chức năng transistor trong mạch điện.

Khi Arduino hoạt động, điện áp mà nó xuất ra chỉ ở mức 0 – 5V Điện áp này là quá nhỏ thể có thể điều khiển một động cơ chạy hết công suất Do vậy ta cần thêm một nguồn ngoài và một Transistor để khuếch đại dòng điện qua Motor.

Transistor là loại linh kiện bán dẫn chủ động thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử Chúng nằm trong khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác Bởi tính nhanh và chính xác của mình nên chúng được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng tương tự và số 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 của transistor.

*Cấu tạo của Transistor

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được 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 B 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 thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay 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]

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.

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, ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua 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 (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB

Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức IC = β IB

Trong 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

int giatribientro = analogRead(A0); //đọc giá trị điện áp ở chân A0 //giatribientro luôn nằm trong khoảng 0-1023

Serial.println(giatribientro); //xuất ra giá trị vừa đọc

Hình 3 Sơ đồ mạch đọc giá trị của chiết áp và điều khiển tốc độ động cơ

Sau khi hoàn thành việc lắp mạch và nạp code, ta đã thực hiện xong việc đọc giá trị biến trở và chuyển đổi thành xung PWM để điều khiển tốc độ động cơ.

2.2 Phân loại các mạch đảo chiều động cơ DC2.2.1 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 đó chiều 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 đó chiều 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 của Relay 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 chiều động 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 có hình chữ H.

Hình 5 Tổng quát về cầu H [4]

Bằng việc điều khiển cho 4 công tắc này đóng hoặc mở, ta có thể điều khiển chiều dòng điện đi qua các thiết bị điện chẳng hạn như động cơ hoặc các thiết bị tương tự.

Hình 6 Nguyên lí điều khiển chiều dòng điện [4]

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

*Nguyên lí hoạt động:

Khi A=0, B=0 không có điện áp đặt vào chân B của 4 transistor nên không có transistor nào dẫn điện, mạch không nối MASS Động cơ không quay.

Khi A=1, B=0 có điện áp đặt vào chân B của transistor Q1 và Q4, 2 transistor này cho dòng đi điện đi qua từ chân C xuống E, dòng điện đi qua động cơ từ trái sang phải và xuống MASS Động cơ lúc này quay theo chiều nghịch.

Khi A=0, B=1 có điện áp đặt vào chân B của transistor Q2 và Q3, 2 transistor này cho dòng đi điện đi qua từ chân C xuống E, dòng điện đi qua động cơ từ phải sang trái và xuống MASS Động cơ lúc này quay theo chiều thuận.

Khi A=1, B=1 sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch.

*Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm: Mạch đóng ngắt nhanh chóng nên ta có thể điều khiển tốc độ động cơ bằng việc đóng ngắt liên tục A hoặc B bằng xung PWM cung cấp bởi Adruino.

Nhược điểm: Mạch khá phức tạp Không phù hợp với động cơ có công suất lớn do điện áp rơi trên Transistor tương đối lớn Nếu lập trình không cẩn thận có thể gây ra hiện tượng ngắn mạch.

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

Mỗi bên của cầu H sử dụng transistor NPN nối tiếp PNP và chung cực B, nên khi transistor này dẫn thì transistor kia không dẫn Điều này giúp việc điều khiển dễ dàng và tránh ngắn mạch khi cả 2 transistor cùng dẫn.

+ Ở trạng thái bình thường, transistor BC547 Q5, Q6 không dẫn Nên các transistor TIP42 Q3, Q4 không dẫn, kéo theo transistor Q1, Q2 không dẫn Do đó động cơ không được cấp điện nên không hoạt động.

+ Khi nhấn nút THUAN thì transistor Q5 BC547 được kích dẫn, kéo cực B của transistor

Q1 và Q3 xuống 0V nên Q3 dẫn, Q1 không dẫn Q3 dẫn nên ngay lập tức transistor Q2 được phân cực qua điện trở R3 Lúc này động cơ hoạt động quay theo chiều thuận, dòng điện qua Q2, động cơ và Q3.

+ Khi nhấn nút NGHICH thì transistor Q6 dẫn Nguyên lý tương tự thì Q4, Q1 dẫn nên

động cơ quay theo chiều ngược lại.

Các diode D1, D2, D3, D4 mắc song song với transistor với nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện phát ngược lại khi ngưng cấp điện cho động cơ.

*Ưu điểm và nhược điểm:

+ Ưu điểm: Mạch thực hiện tốc độ đóng cắt nhanh, có bảo vệ dòng ngược, tránh được hiện tượng ngắn mạch cầu H Tín hiệu điều khiển đơn giản.

+ Nhược điểm: Mạch phức tạp, ở mạch này tổn hao do điện áp rơi trên Transistor công suất lớn nên không phù hợp cho việc điều khiển tốc độ với động cơ công suất lớn

Ngoài ra còn có cầu H dùng 4 MOSFET dùng cho các động cơ có công suất lớn và IC bán dẫn được tích hợp cầu H trong nó, ta chỉ việc cấp xung điều khiển như IC L294, L298, IC SN754410,…

Dựa vào quy mô của Project, nhóm thực hiện xin phép lựa chọn phương pháp sử dụng mạch cầu H dùng 4 Transistor NPN và arduino để điểu khiển động cơ DC.

1 chiết áp Adapter 12V Adruino Uno

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 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 Chân E của Q2 và Q4 nối với Ground

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

speed=map(bientro,523,1023,0,255); analogWrite(thuan,speed);

if (bientro<=500) {

speed=map(bientro,0,500,0,255); analogWrite(nghich,255-speed);

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, 2 transistor này cho dòng đi điện đi qua từ chân C xuống E, dòng điện đi qua động cơ từ trái sang 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 A6 giá trị 0 (0V) Không có điện áp đặt vào chân B của 4 transistor nên không có transistor nào dẫn 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, 2 transistor này cho dòng đi điện đi qua từ chân C xuống E, dòng điện đi qua động cơ từ phải sang trái và xuống MASS Động cơ lúc này quay theo chiều thuận.

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ4.1 Thực nghiệm

Sau khi hoàn thành hai thực nghiệm trên mạch điện thực tế, nhóm thực hiện thu được kết quả như nhau:

+ Mạch điện sử dụng chiết áp và một transistor NPN điều khiển tốc độ động cơ hoạt động hoàn toàn giống như trong lí thuyết Khi vặn chiết áp sang phải, tốc độ động cơ tăng lên liên tục đến tốc độ tối đa Khi vặn chiếc áp sang trái, tốc độ động cơ giảm liên tục đến khi dừng hẳn.

+ Mạch điện sử dụng chiết áp và cầu H để điều khiển tốc độ động cơ không hoạt động theo mong muốn của nhóm thực hiện.

4.2 Đánh giá

Sau nhiều lần chỉnh sửa lại mạch điện mà nghiên cứu vấn đề, nhóm thực hiện đã rút ra một số đánh giá:

+ Mạch điện thực tế hoạt động không giống với mạch điện thiết kế trên Proteus

+ Quá trình thực hiện việc thiết kế và lắp ráp mạch điện có vấn đề và gặp nhiều thiếu xót như: mạch hàn không kín, các dây dẫn bị lỏng, quá trình hàn bị chập cháy,… dẫn đến việc mạch điện không hoạt động theo ý muốn.

+ Mạch điện thiếu một số thành phần quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động.

4.3 Nguyên nhân và biện pháp xử lý

Thông qua quá trình trao đổi và tìm hiểu cùng thầy và trợ giảng Nhóm thực hiện đã tìm ra được nguyên nhân chính dẫn đến mạch điện không hoạt động và đưa ra giải pháp giải quyết như sau:

Nguyên nhân của vấn đề: Do transistor ở mức cao Q1 và Q3 không thể được kích hoạt bằng cách thông thường giống như transistor mức thấp Q2 và Q4 Ta không thể so sánh điện áp ở chân B và E của transistor Q1 và Q3 do điện áp ở chân Emitter của 2 transitor này luôn thay đổi từ 0-VCC bởi vì chân này không được nối mass mà nối với cuộn dây của motor rồi xuống transistor Q2 và Q4