đồ án môn học điều khiển tốc độ động cơ dc pwm sử dụng ic 555

Sau khi học xong môn Điện tử công suất để hiểu hơn nội dung lí thuyết màThầy đã dạy trên lớp, nhóm em thực hiện đề tài “ Điều khiển tốc độ động cơ dcPWM sử dụng IC555 ” muốn truyền tải m

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

SỬ DỤNG IC 555

GVHD:Th.S HỒ VĂN THỚI SVTH: NGUYỄN THANH DUY PHẠM VĂN GIÀU

LÊ TẤN THANH HƯNG

TP.HCM, tháng 5 năm 2024

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trọngtrong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sử dụng ứng dụng của điện tử công suấttrong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bándẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyềnđộng điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao.Kích thước, diện tíchlắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại

từ, máy phát - động cơ Và để đáp ứng được nhu cầu ngày càng khắc khe của nềncông nghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu, phát triển đề ra giải pháp tối

ưu nhất Đặc biệt trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 thì tự động hóa trong côngnghiệp có vai trò hết sức quan trọng

Sau khi học xong môn Điện tử công suất để hiểu hơn nội dung lí thuyết mà

Thầy đã dạy trên lớp, nhóm em thực hiện đề tài “ Điều khiển tốc độ động cơ dc PWM sử dụng IC555 ” muốn truyền tải một phần nhỏ trong môn học Điện tử công

suất

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN



GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Giới thiệu đề tài 1

1.3 Mục đích của đề tài 1

1.4 Ý nghĩa của đề tài 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 3

2.1 Lí thuyết 3

2.1.1 Ứng dụng của PWM trong điều khiển 3

2.1.2 Mạch tạo mạch PWM 555 4

2.2 Các linh kiện trong mạch 4

2.2.1 IC 555 4

2.2.2 Mosfet IRF3205 7

2.2.3 Tổng quan về biến trở 9

2.2.4 Động cơ một chiều (DC) 11

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 27

3.1 Thiết kế 27

3.1.1 Sơ đồ khối 27

3.1.2 PWM trong IC 555 27

3.2 Danh sách các linh kiện được sử mạch dụng trong mạch 29

3.3 Thiết kế mạch 30

3.3.1 Sử dụng phần mền Protues để thiết kế mạch và vẽ mạch in 30

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 31

4.1 Kết luận 31

4.2 Kiến thức nắm được 31

4.3 Khuynh hướng phát triển đề tài 31

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Mạch tạo mạch pwm 555 4

Hình 2.2: IC 555 5

Hình 2.3: Datasheet IC 555 5

Hình 2.4: Sơ đồ chân IC 555 7

Hình 2.5: Datasheet IRF3205 8

Hình 2.6: Sơ đồ chân Mosfet IRF3205 8

Hình 2.7: Hình ảnh biến trở 9

Hình 2.8: Kí hiệu của biến trở 9

Hình 2.9: Cấu tạo của biến trở 10

Hình 2.10: Động cơ một chiều (DC) 11

Hình 2.11: Cấu tạo của động cơ môt chiều (DC) 11

Hình 2.12: Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều 12

Hình 3.1: Sơ đồ khối 31

Hình 3.2: Mạch nguyên lý tạo xung vuông có điều chỉnh tần số và PWM 28

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của mạch 30

Hình 3.4: Sơ đồ mạch in 30

Hình 3.5: Sơ đồ phối cảnh của mạch 31

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng ở đócác thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào cuộc sống và ngành công nghiệp,nông nghiệp đã ứng dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tửcông suất Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động cơ là lĩnh vực quantrọng và phát triển Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụngcuộc sống và trong công nghiệp hiện nay Động cơ điện một chiều chỉ chạy với mộttốc độ nhất định khi cấp nguồn điện vào, tuy nhiên chúng ta có thể điều chỉnh đượctốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của mạch điện đi kèm

Là sinh viên của ngành tự động hóa và sau khi học xong lý thuyết và thựchành môn điện tử công suất Người thực hiện đề tài quyết định tìm hiểu và nghiên

cứu “Điều khiển tốc độ động cơ dc PWM sử dụng IC555 ” để nắm rõ kiến thức lý

thuyết và áp dụng thực hành vào cuộc sống

1.2 Giới thiệu đề tài

Mạch điều khiển động cơ một chiều dùng IC 555 bằng cách tạo xung PWM là phương pháp thay đổi điện áp vào động cơ Người ta dùng mạch điện tử để thay đổi

độ rộng xung ngõ ra mà không làm thay đổi tần số Sự thay đổi của điện áp ngõ ra đặt vào động cơ sẽ nhỏ hơn hoặc bằng điện áp nguồn Sau đó xung ngõ ra sẽ thông qua mạch công suất để điều khiển tốc độ động cơ để cho động cơ đạt hiệu quả làm việc cao hơn

PWM là phương pháp mà qua đó chúng ta có thể tạo ra điện áp thay đổi bằngcách bật và tắt nguồn điện đến thiết bị điện tử với tốc độ nhanh Điện áp trung bìnhphụ thuộc vào chu kỳ làm việc của tín hiệu hoặc lượng thời gian tín hiệu BẬT sovới lượng thời gian tín hiệu TẮT trong một khoảng thời gian quy định

1.3 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài phải thỏa mãn các yếu tố sau:

• Có thể điều khiển tốc độ của động cơ DC

• Tải được các động cơ có công suất lớn

• Có thể ứng dụng vào nhiều vấn đề thực tiễn trong cuộc sống

• Hoạt động ổn định, bền bỉ

1.4 Ý nghĩa của đề tài

Đề tài giúp người thực hiện đề tài nắm vững kiến thức lí thuyết và thực hànhnâng cao kiến thức chuyên ngành để tạo tiền đề giúp người thực hiện đề tài có thểhoàn thiện các đồ án môn học cũng như đồ án tốt nghiệp mang tính kỹ thuật caohơn

Đề tài có tính sáng tạo và tính toán thiết kế mạch điện giúp tác giả đề tài cóthêm cảm hứng học tập sáng tạo

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Lí thuyết

2.1.1 Ứng dụng của PWM trong điều khiển

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng tathường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWMđiều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điềukhiển sự ổn định tốc độ động cơ

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chếcác mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt làPWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính làtuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứng dụng rấtnhiều trong các thiết bị điện- điện tử PWM cũng chính là nhân tố mà các độiRobocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ

Trang 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1.2 Mạch tạo mạch PWM 555

IC 555 có khả năng tạo tín hiệu PWM khi được thiết lập ở chế độ astable Đây là một mạch cơ bản của IC 555 hoạt động ở chế độ astable và chúng ta cóthể nhận thấy rằng đầu ra ở mức CAO khi tụ C1 đang nạp qua các điện trở R1 vàR2

Hình 2.1: Mạch tạo xung pwm 555Mặt khác, đầu ra của IC ở mức THẤP khi tụ điện C1 xả nhưng chỉ qua điện trở

R2 Vì vậy, chúng ta có thể nhận thấy rằng nếu chúng ta thay đổi giá trị của bất kỳthành phần nào trong ba thành phần này, chúng ta sẽ có thời gian BẬT và TẮT khácnhau hoặc chu kỳ khác nhau của tín hiệu đầu ra dạng sóng vuông Một cách dễ dàng

và tức thời để làm điều này là thay thế điện trở R2 bằng một biến trở và thêm haiđiốt trong mạch

2.2 Các linh kiện trong mạch

2.2.1 IC 555

a Khái niệm

IC định thời 555 được giới thiệu vào năm 1970 bởi Signetic Corporation và đãđặt tên cho bộ đếm thời gian SE / NE 555 Về cơ bản, nó là một mạch định thờinguyên khối tạo ra độ trễ hoặc dao động thời gian chính xác và rất ổn định Khi sosánh với các ứng dụng của op-amp trong cùng vùng làm việc, 555 IC cũng đáng tincậy không kém và có giá thành rẻ Ngoài các ứng dụng của nó như là một bộ daođộng đơn ổn và bộ dao động bất ổn, bộ định thời 555 cũng có thể được sử dụngtrong bộ chuyển đổi nguổn DC-DC, đầu dò logic số, máy phát sóng, máy đo tần sốtương tự và máy đo tốc độ, máy đo và điều chỉnh nhiệt độ, bộ điều chỉnh điện

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

áp,v.v IC được thiết lập để hoạt động ở một trong hai chế độ “one-shot” - đơn ổn(monostable) hoặc dưới dạng dao động tự do - dao động bất ổn (astable) SE 555 cóthể được sử dụng ở nhiệt độ trong khoảng từ - 55°C đến 125° NE 555 có thể được

sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ 0° đến 70°C

b Cấu tạo

IC555 gồm có một OP-AMP dùng để so sánh điện áp, 1 mạch là transistorgiúp xả điện Cấu tạo rất đơn giản nhưng nó được coi là một mạch tích hợp hoạtđộng rất tốt và có độ chính xác khá cao Với đạc tính của IC555 thì chân cấp nguồn

sẽ được hoạt động với dải điện áp từ 2 - 18V, cùng với đó là chuẩn đầu ra tươngthích khi được cấp nguồn 5V với dòng điện rút ra và ấp có thể lên đến 200mA

Hình 2.2: IC 555

c Thông số của IC 555

• Với nguồn điện áp đầu vào nằm trong dải từ 2 -18V

• Dòng điện tiêu thụ: 6 - 15mA

• Công suất tiêu thụ lớn nhất ( Pmax): 600mW

• Điện áp logic đầu ra ở mức cao (mức1): 0.5 - 15V

• Điện áp logic đầu ra ở mức thấp (mức 2): 0.03 - 0.06V

Hình 2.3 :Datasheet NE555

Trang 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

d Tính toán linh kiện trong mạch

• Điều chế được độ rộng xung (PWM)

• Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

f Chức năng hoạt động của từng chân

• Chân số 1 (GND): Chân nối GND để cung cấp dòng cho IC hay còn đượcgọi là chân mass chung

• Chân số 2 (TRIGGER): Được biết đến là chân đầu vào thấp hơn so vớiđiện áp so sánh và được sử dụng giống như 1 chân chốt của một tần số áp.Mạch so sánh ở đây được sử dụng là các Transistor PNP với điện áp chuẩn2/3 VCC

• Chân số 3 (OUTPUT): Đây là chân được lấy tính hiệu logic đầu ra Trangthái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mứccao (mức 1)

• Chân số 4 (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu ra của IC555 Khichân số 4 được nối mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0 Còn khi chân số 4 ởmức cao thì trạng thái dầu ra sẽ phụ thuộc theo mức áp trên chân số 2 vàchân số 6 Trong trường hợp, muốn tạo dao dộng thường chân này sẽ đượcnối trực tiếp và nguồn VCC

• Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân này được sử dụng để làmthay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài haydùng ở các điện trở ngoài nối với chân số 1 GND

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

• Chân số 6 (THRESHOLD): Là một chân đầu vào để so sanh điện áp vàcũng dùng như một chân chốt

• Chân số 7 (DISCHAGER): Đây được coi như là một khóa điện tử và chịutác động điều khiển từ tầng logic của chân số 3 Khi đầu ra là chânOUTPUT ở mức 0 thì khóa này sẽ được đóng và ngược lại Chân số 7 cónhiệm vụ tự nạp và xả điện cho mạch R-C

• Chân số 8 (VCC): Dây là nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân 8 có thểđược cung cấp với mức điện áp dao động từ 2 - 18V

Hình 2.4: Sơ đồ chân IC 555

g Ứng dụng

• Mạch dao động âm thanh dùng SCR

• Mạch báo nguồn điện

• Mạch nhịp điệu và âm thanh

• Mạch nhấp nháy 2 LED

• Mạch băm xung PWM

2.2.2 Mosfet IRF3205

a Khái niệm

IRF3205 là một transistor MOSFET Transistor này có thể được sử dụng cho

cả mục đích công tắc và khuếch đại Nó là một transistor chuyển mạch tốc độ cao

do đó có thể được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao chuyển tải từnguồn đầu vào này sang nguồn đầu vào khác Hơn nữa, khi được sử dụng như một

bộ khuếch đại, nó có khả năng cung cấp tối đa 200W do đó nó cũng là mộttransistor lý tưởng để sử dụng trong các bộ khuếch đại âm thanh công suất cao

Trang 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

b Thông số kỹ thuật

• Điện áp tối đa từ cực cống đến cực nguồn: 55V

• Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V

• Dòng xả tối đa liên tục là: 110A

• Dòng xả tối đa xung là: 390A

• Công suất tiêu tán tối đa là: 200W

• Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn điện: 2V đến 4V

• Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +170 độ C

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

• Bộ sạc pin và hệ thống quản lý pin

• Các ứng dụng chuyển mạch nhanh

• Ứng dụng liên quan đến năng lượng mặt trời

• Nguồn cung cấp năng lượng liên tục

• Trình điều khiển động cơ

f Tính toán linh kiện trong mạch

- Chọn động cơ : 12VDC, công suất 60W

Dòng điện qua động cơ : I ĐM=P

U=

60

Do dòng điện qua động cơ cũng là dòng qua Mosfet ⇒ I D=5 A

Để động cơ hoạt động thì điện áp qua Mosfet phải lớn hơn điện áp định mức

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sánghoặc bức xạ điện từ,

Hình 2.7: Hình ảnh biến trở

b Kí hiệu

Trang 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Kí hiệu của biến trở trong sơ đồ mạch điện có kí hiệu như sau:

Hình 2.8: Kí hiệu của biến trở

c Cấu tạo của biến trở

Nhìn từ bên ngoài, chúng ta dễ dàng nhận thấy biến trở có cấu tạo gồm 3 bộphận chính:

• Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn

• Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giátrị trở kháng

• Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực được

cố định ở đầu của điện trở Các cực này được làm bằng kim loại Cực cònlại là một cực di chuyển và thường được gọi là cần gạt Vị trí của cần gạtnày trên dải điện trở sẽ quyết định giá trị của biến trở

Hình 2.9: Cấu tạo của biến trở

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

mạch kín sẽ thay đổi chiều dài dây dẫn khiến điện trở trong mạch thay đổi Thực tếviệc thiết kế mạch điện tử luôn có một khoảng sai số, nên khi thực hiện điều chỉnhmạch điện người ta phải dùng biến trở, lúc này biến trở có vai trò phân áp, phândòng trong mạch

e Phân loại

Mỗi loại biến trở lại có những giá trị điện trở khác nhau Chúng phụ thuộc vào

vị trí của cực chạy trên dải điện trở Do đó, chúng ta có thể điều chỉnh giá trị điệntrở suất để kiểm soát điện áp cũng như dòng điện

Hiện nay biến trở được chia làm 4 loại chính đó là:

• Biến trở than

• Biến trở tay quay

• Biến trở con chạy

• Biến trở dây cuốn

f Ứng dụng

Ứng dụng được dùng nhiều trong thực tế là biến trở làm chiếc áp để thay đổi

độ sáng của đèn LED hoặc đèn 220V Biến trở làm nhiệm vụ thay đổi điện áp đểtăng giảm độ sáng của đèn Khuếch đại âm thanh và điều chỉnh lớn nhỏ bằng cácvolume

2.2.4 Động cơ một chiều (DC)

a Khái niệm

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là động

cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều

Hình 2.10 Động cơ một chiều (DC)

b Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

Trang 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

• Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

• Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

• Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

• Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điệncho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng

với số cuộn dây trên rotor

Hình 2.11: Cấu tạo của động cơ môt chiều (DC)

c Nguyên lý hoạt động

Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửuhay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồnđiện một chiều

Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnhlưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay củarotor là liên tục Thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp vàmột bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơnày sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện độngcảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽphát ra một điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điệnđộng đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điệnđộng này sẽ tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một