báo cáo thực hành đề tài điều khiển động cơ điện dc

Mục tiêu cần đạt được Mục tiêu của đề tài "Sử dụng mạch cầu H điều khiển độngcơ điện DC có chổi than, không sử dụng mạch cầu H bán bênngoài thị trường, mạch có khả năng thay đổi chiều qu

Nguyễn Văn Dũng 22145338

Nguyễn Đức Dũng 22145336

Thân Nguyễn Thanh Duy 22145329

Nguyễn Minh Kiệt 22145403

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 21 Tháng 4Năm 2024

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều 6

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhu cầu hiện nay là phát triển cả hiểu biết cơ bản và nângcao về ứng dụng công nghệ Vi điều khiển Tuy nhiên, sự hợp tácnày có thể được tận dụng cho các lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật cókhả năng mở rộng, sáng tạo và đa dạng Vi điều khiển đang dầnthay thế con người trong các ứng dụng thực tế và một số ứngdụng thực tế của Vi điều khiển như: Điều khiển tốc độ động cơ,thiết kế bảng LED điện tử, đếm sản phẩm, đo và khống chếnhiệt độ,…

Không còn nghi ngờ gì nữa, hệ thống điều khiển động cơDC là hệ thống phổ biến và phát triển nhất Những động cơ nàyđược sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp cũng như giađình từ mục đích sử dụng cơ bản đến phức tạp nhất vì chúng cómột số lợi ích chức năng.

Chủ đề này thực sự là một cơ hội tuyệt vời để chúng ta tìmhiểu và sử dụng các nguyên lý cơ bản về điện và điện tử, nhữngnguyên lý cơ bản này chắc chắn sẽ có ích trong toàn bộ khóahọc Khi chúng ta đã nắm bắt được quy trình hoạt động chi tiếtcủa động cơ điện một chiều và có kinh nghiệm chuyên sâu vềlĩnh vực này, chắc chắn chúng ta sẽ có quyền đóng góp theonhiều cách khác nhau như chế tạo các thiết bị gia dụng cho hộgia đình hoặc tham gia dự án.

2 Mục tiêu cần đạt được

Mục tiêu của đề tài "Sử dụng mạch cầu H điều khiển độngcơ điện DC có chổi than, không sử dụng mạch cầu H bán bênngoài thị trường, mạch có khả năng thay đổi chiều quay độngcơ và thay đổi tốc độ động cơ, dùng chế độ xuất PWM của

Arduino" là tạo ra một hệ thống điều khiển động cơ DC hiệu quảvà linh hoạt.

Mục tiêu chính của đề tài này là sử dụng mạch cầu H tíchhợp trên module L298N để điều khiển động cơ DC có chổi than.Mạch cầu H cho phép thay đổi chiều quay của động cơ bằngcách kích hoạt các công tắc chuyển mạch Đồng thời, chế độxuất PWM của Arduino được sử dụng để điều chỉnh tốc độ củađộng cơ bằng cách thay đổi độ rộng xung.

Mục tiêu tiếp theo là không sử dụng mạch cầu H bán bênngoài thị trường, mà thay vào đó sử dụng mạch cầu H tích hợptrên module L298N Điều này giúp đơn giản hóa hệ thống vàgiảm chi phí.

Cuối cùng, mục tiêu của đề tài là tạo ra một hệ thống cókhả năng thay đổi cả chiều quay và tốc độ của động cơ Điềunày cho phép ứng dụng linh hoạt và đa dạng hơn.

Tổng quan, mục tiêu của đề tài là tạo ra một hệ thốngđiều khiển động cơ DC sử dụng mạch cầu H tích hợp trênmodule L298N và chế độ xuất PWM của Arduino, có khả năngthay đổi chiều quay và tốc độ động cơ một cách linh hoạt vàhiệu quả.

3 Phạm vi giới hạn đề tài

Thiết kế và xây dựng mạch cầu H: Tạo ra một mạch cầu Hsử dụng transistor để điều khiển động cơ DC Mạch này sẽ baogồm các transistor NPN và PNP để điều khiển chiều quay và tốcđộ của động cơ.

Kết nối động cơ và mạch cầu H: Kết nôi động cơ DC vớimạch cầu H thông qua các transistor để có thể điều khiển đượcchiều quay và tốc độ của động cơ.

Lập trình Arduino: Viết code trên Arduino để tạo ra tín hiệuPWM để điều khiển tốc độ của động cơ và điều khiển các châncủa mạch cầu H để thay đổi chiều quay của động cơ.

Kiểm tra và hiệu chỉnh: Kiểm tra hoạt động của mạch vàđảm bảo rằng động cơ có thể điều khiển được cả chiều quay vàtốc độ một cách chính xác và linh hoạt.

4 Kế hoạch thực hiện

Học kỳ 2, năm học 2023 – 2024:

Tuần 12: Hoàn thành Phần mở đầu.Tuần 13: Hoàn thành Cơ sở lý thuyết.Tuần 14: Thực hiện đề tài.

Tuần 15: Thử nghiệm mô hình và đánh giá kết quả.Tuần 16: Kết luận và nộp báo cáo đề tài.

5 Phân công công việc

Thân Nguyễn ThanhDuy

Tìm kiếm thông tin

Nguyễn Minh Kiệt 221454

B CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Stator của động cơ điện một chiều (DC) thường là một haynhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có cáccuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều Một phầnquan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnhlưu Nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển độngquay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm cómột bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau

tạo ra chuyển động quay của rotor.

Pha 2: Rotor tiếp tục quay.

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường

giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1.

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằngmột lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điệnmột chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotiveforce (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ramột điện áp gọi là sức phản điện động Counter-EMF (CEMF)

hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bênngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điệnđộng phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện(như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ và kéotrục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài) Như vậy điện ápđặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động vàđiện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng.Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biểu thức sau:

I = (VNguon - VPhanDienDong) / Rphan Ung

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được tính bằng công thức:

P = I x (VPhanDienDong)

• Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanhmột lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi mộtlực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng mộtlực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Cáclực này gây tác động quay lên cuộn dây và làm cho rotor quay.Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ gópđiện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với cácđường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khicuộn dây lệch 90° so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽquay theo quán tính Trong các máy điện một chiều lớn, ngườita có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổgóp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu nhưkhông bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.

2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Ε = Κ ΦΩ (1)

V = E + Rư lư (2)M = K lư (3)

Chú thích:

I: Từ thông trên mỗi cực (Wb).lư: Dòng điện phần ứng (A).V: Điện áp phần ứng (V).

Rư: Điện trở phần ứng (Ohm).2: Tốc độ động cơ (rad/s).M: Moment động cơ (Nm).

K: Hằng số, phục thuộc cấu trúc động cơ.

3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiềutỷ lệ với điện áp đặt vào nó và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòngđiện Điều khiển tốc độ của động cơ CÓ thể bằng cách điềukhiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấpnguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử Chiềuquay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đổi chiềunối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể đượcnếu thay đổi cả hai Thông thường sẽ được thực hiện bằng cácbộ công tắc tơ đặc biệt (Contactor đổi chiều).

Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạchmột điện trở nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điềukhiển kiểu chuyển mạch lắp bằng Thyristor, Tansistor hoặc loạicổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang thủy ngân.

Trong hình trên bên trái ta thấy, khi điện trở của biến trởtăng thì theo định luật Ohm dòng điện sẽ giảm và tốc độ độngcơ sẽ chậm lại Tuy nhiên khi điện trở tăng thì năng lượng sinhnhiệt tại điện trở sẽ tăng Do đó, sản sinh nhiệt để làm giảm tốcđộ động cơ là không hay do nó tiêu tốn năng lượng và có thểlàm cháy linh kiện.

Một dạng mạch thứ hai có thể chấp nhận được hơn so vớithiết kế trên là dạng mạch khuếch đại dùng Transistor như hìnhbên phải Tuy nhiên cũng tương tự như mạch trên thì khi điệntrở tăng thì Transistor sẽ sinh một lượng nhiệt đáng kể và do đócó thể bị cháy.

Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áptrung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạchnguồn cung cấp thật nhanh Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thờigian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình Tỷ lệphần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhânvới điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào độngcơ Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100 V, và tỷ lệ thờigian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25 V Trong thời gian

"Off", điện áp cảm ứng của phần ứng sẽ làm cho dòng điệnkhông bị gián đoạn, qua một Diode gọi là Diode phi hồi hayDiode triệt từ (Flywheel Diode), nối song song với động cơ.

Tại thời điểm này, dòng điện của mạch cung cấp sẽ bằngkhông trong khi dòng điện qua động cơ vẫn khác không và dòngtrung bình của động cơ vẫn luôn lớn hơn dòng điện trong mạchcung cấp, trừ khi tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100% Ở tỷ lệ100% "on" này, dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau.Mạch đóng cắt tức thời này ít bị tổn hao năng lượng hơn mạchdùng điện trở Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiểnkiểu điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation hay PWM)và thường được điều khiển bằng vi xử lý Đôi khi người ta còn sửdụng mạch lọc đầu ra để làm bằng phẳng điện áp đầu ra vàgiảm bớt tạp nhiễu của động cơ.

Mạch điện sau sử dụng nguyên tắc băm xung dựa vào cáchsử dụng mạch dao động RC để tạo xung kích cho Triac.

Tốc độ động cơ phụ thuộc vào tần số của mạch dao động RC Do đó, để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi điện trởcủa mạch RC để điều chỉnh tần số.

Vì động cơ điện một chiều kiểu nối tiếp có thể đạt tới

mômen quay cực đại từ khi vận tốc còn nhỏ, nó thường được sử dụng để kéo, chẳng hạn đầu máy xe lửa hay tàu điện Một ứng dụng khác nữa là để khởi động các loại động cơ xăng hay động cơ điezen loại nhỏ Tuy nhiên nó không bao giờ dùng trong các ứng dụng mà hệ thống truyền động có thể dừng (hay hỏng), như băng truyền.

Khi động cơ tăng tốc, dòng điện phần ứng giảm (do đó cả trường điện cũng giảm) Sự giảm trường điện này làm cho động cơ tăng tốc cho tới khi tự phá hủy chính nó Đây cũng là một vấn đề với động cơ xe lửa trong trường hợp mất liên kết, vì nó có thể đạt tốc độ cao hơn so với chế độ làm việc định mức Điềunày không chỉ gây ra sự cố cho động cơ và hộp số, mà còn phá hủy nghiêm trọng đường ray và bề mặt bánh xe vì chúng bị đốt nóng và làm lạnh quá nhanh Việc giảm từ trường trong bộ điều khiển điện tử được ứng dụng để tăng tốc độ tối đa của các

phương tiện vận tải chạy bằng điện.

Dạng đơn giản nhất là dùng một bộ đóng cắt và điện trở làm yếu từ trường, một bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát dòng điện của động cơ và sẽ chuyển mạch, đưa các điện trở suy giảmtừ vào mạch khi dòng điện của động cơ giảm thấp hơn giá trị đặt trước.

Khi điện trở được đưa vào mạch, nó sẽ làm tăng tốc động cơ, vượt lên trên tốc độ thông thường ở điện áp định mức.

Khi dòng điện tăng bộ điều khiển sẽ tách điện trở ra và động cơ sẽ trở về mức ngẫu lực ứng với tốc độ thấp.

4 ĐIỂU KHIỂN CHIỀU QUAY

Chiều quay của động cơ được thay đổi khi chiều dòng điện qua động cơ thay đổi Do đó các mạch đảo chiều động cơ đều nhằm mục đích thay đổi chiều dòng điện đi qua động cơ.

Mạch đảo chiều dùng Rờ le:

Mạch này sử dụng Rờ le để chuyển mạch và làm đảo chiều dòng điện qua động cơ.

Khi Rờ le không được kích, khóa chuyển mạch ở vị trí trên, dòng điện đi từ tiếp điểm 1 qua động cơ và về tiếp điểm 2 Khi Rờ le được kích, khóa chuyển mạch ở vị trí dưới, dòng điện đi từ tiếp điểm 2 qua động cơ và về tiếp điểm 1.

Mạch đảo chiều dùng hai Transistor PNP và NPN: Khi tín hiệukích ở mức thấp, Transistor PNP (TIP107) dẫn làm dòng điện đi từ 0 V qua động cơ và về nguồn –Vcc, động cơ quay nghịch.

Khi tín hiệu kích ở mức cao, Transistor NPN (TIP102) dẫn làmdòng điện đi từ +Vcc qua động cơ và về nguồn 0 V, động cơ quay thuận.

Mạch cầu H đảo chiều động cơ: Khi kích ngõ quay nghịch, thì sẽ kích đồng thời hai Transistor Q2 và Q3 làm dòng điện đi từnguồn +12 V qua Transistor Q2, qua động cơ và qua Transistor Q3 về nguồn 0 V (động cơ quay nghịch).

Khi kích ngõ quay thuận, thì sẽ kích đồng thời hai Transistor Q1 và Q4 làm dòng điện đi từ nguồn +12 V qua Transistor Q1, qua động cơ và qua Transistor Q4 về nguồn 0 V (động cơ quay thuận).

Chúng ta đã ôn tập xong phần lý thuyết liên quan đến động cơ DC, bước tiếp theo là vẽ, lập trình và mô phỏng mạch điều khiển với Proteus.

C THỰC HIỆN

Thiết kế Mạch điều khiển:

Các linh kiện cần thiết:

o Arduino Uno

o Động cơ 5V gắn vào 1 bánh xeo Nguồn pin 9V

o Mạch cầu Ho Biến trở

1 Bài code cho điều khiển tốc độ, chiều quay:

int in1 = 8; // Chân điều khiển 1 cho motorint in2 = 7; // Chân điều khiển 2 cho motorint enablePin = 9; // Chân enable cho motorint switchPin = 2; // Chân kết nối với công tắc

int potentiometerPin = A0; // Chân nối với cảm biến vô tuyến (potentiometer)

int potValue = 0; // Biến lưu giá trị đọc từ cảm biến vô tuyếnint motorSpeed = 0; // Biến lưu giá trị tốc độ của motor

float phase = 0.0; // Biến lưu giá trị phase cho hàm sinint direction = 1; // Biến chỉ định hướng quay của động cơvoid setup() {

pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT);

pinMode(enablePin, OUTPUT);

pinMode(switchPin, INPUT_PULLUP); // Đặt chân kết nối với công tắc là đầu vào với resistor kéo lên

phase += 0.1;

if (phase >= TWO_PI) {

phase = 0.0; }

direction = sin(phase) > 0 ? 1 : -1;

// Đọc trạng thái của công tắc

if (digitalRead(switchPin) == LOW) {

direction *= -1; // Đảo ngược hướng quay nếu công tắc được nhấn

digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); }

analogWrite(enablePin, motorSpeed);

// Hiển thị giá trị tốc độ và hướng quay qua Serial Monitor

Serial.print("Speed: "); Serial.println(motorSpeed); Serial.print("Direction: ");

Serial.println(direction == 1 ? "Forward" : "Reverse"); delay(2000); // Chờ 200ms trước khi lặp lại

2 Mô phỏng điều khiển tốc độ, chiều quay:Các linh kiện đã sử dụng trong proteus:

Bài mô phỏng: Khi quay đến 461 thì bánh xe sẽ đổi chiều

3 Mô hình điều khiển tốc độ, chiều quay:

Quy trình lắp mô hình:

- Đấu nguồn dương và nguồn âm của động cơ 5V có gắn 1bánh xe vào chân A1 và A2 mạch cầu H (Dây vàng –dương, dây xanh – âm)

- Đấu nguồn vào chân VCC (Dây đỏ - dương, dây đen – âm)- GND của mạch cầu H nối vào GND của Arduino Uno (dây

- Đấu IN2 của mạch cầu H nối với chân 7 Arduino (Dây đen)- Hai chân ngoài (Hai chân cấp nguồn) của biến trở đấu với

một chân 5V (Dây nâu – 5V) và chân còn lại nối với GND.(Dây trắng – GND)

- Chân giữa đấu với A0 (Dây xám)

- Công tắc 1 chân nối với số 2(Dây nâu), 1 chân nối với GND.(Dây đỏ)

Thành phẩm mô hình:

D ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Tổng Quan:

Báo cáo này tập trung vào việc nghiên cứu và thực hiện mộthệ thống điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC bằngPWM sử dụng mạch cầu H.

Mục tiêu chính là phát triển một hệ thống điều khiển linhhoạt, chính xác và hiệu quả năng lượng cho việc điều khiểnđộng cơ DC trong các ứng dụng thực tế.

E KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực hiện đề tài "Điều KhiểnĐộng Cơ DC bằng PWM có Mạch Cầu H", dưới đây là kết luận vàkiến nghị:

Kết Luận:

Đề tài này đã nghiên cứu và triển khai thành công hệ thốngđiều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC sử dụng mạchcầu H.

Thông qua quá trình thử nghiệm, chúng tôi đã chứng minhrằng tính linh hoạt, chính xác và ổn định của hệ thống có thểđược kiểm soát trong việc duy trì tốc độ và hướng quay mongmuốn.

Hệ thống đạt được các tiêu chí quan trọng như độ chínhxác cao, phản hồi nhanh, hiệu quả sử dụng năng lượng tốt vàtính thực tiễn cao.

Đặc biệt, việc sử dụng mạch cầu H đã cải thiện đáng kểhiệu năng và tính linh hoạt của hệ thống.

Kiến Nghị:

Nâng Cấp Bảo Vệ: Tăng cường các biện pháp bảo vệ để

đảm bảo ổn định và an toàn cho động cơ trong các tình huốngbất thường như ngắn mạch, quá dòng và quá nhiệt.

Tối Ưu Hiệu Suất Năng Lượng: Tiếp tục nghiên cứu và

phát triển các phương pháp tối ưu hiệu suất năng lượng củamạch cầu H để giảm tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất củahệ thống.