báo cáo đồ án liên môn thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ băng tải

Các yêu cầu về kỹ thuật - Điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ thông qua bộ điêu khiển sao cho mô hình vận hành trơn tru, không xảy ra các hiện tượng sai lệch, trục trặc trong quá

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNGKHOA ĐIỆN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN LIÊN MÔNPBL2

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀGIÁM SÁT TỐC ĐỘ BĂNG TẢI

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS LÊ TIẾN DŨNGTrợ giảng : NGUYỄN MẠNH DŨNGSinh viên thực hiện : PHAN PHÚC TÀI (Nhóm trưởng)

LÊ ĐỨC THỊNH PHẠM LÊ QUANG HUY NGUYỄN VĂN KHIÊM

Lớp học phần : NHÓM 20.33A

Lời mở đầu

Ngày nay, ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa đã đóng một vai trò rất quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực và đời sống sinh hoạt hằng ngày của con người Thông qua những hệ thống điều khiển thích nghi có thể thay đổi được cấu trúc và tham số điều khiển, ta có thể giải quyết được rất nhiều vấn đề từ đơn giản đến phứctạp Và do tính ưu việt của nó mà hiện nay các bộ điều khiển đang bắt đầu được ứng dụng vào điều khiển các hệ thống phức tạp hơn cũng như các hệ thống phi tuyến trong thực tế

Thông qua môn học PBL 2 (Project Based Learning 2), nhóm EURUS muốn vận dụng những kiến thức đã nghiên cứu và học hỏi được để có thể nhận dạng và điều khiển thích nghi hệ thống tải Băng chuyền, một trong những hệ thống có tính ứng dụng cao trong công nghiệp hiện đại

Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thi công được bộ điều khiển thíchnghi cho hệ Băng chuyền nhằm duy trì ổn định tốc độ mong muốn của đối tượng Ngoài ra, đồ án liên môn này giúp sinh viên rèn luyệt kỹ năng làm việc nhóm một cách hiệu quả, kỹ năng lập kế hoạch và quản lý dự án; kỹ năng giao tiếp thuyết trình và viết báo cáo, kỹ năng mô phỏng và sử dụng tiếng Anh chuyên ngành Hơn nữa, mục tiêu sau khi hoàn thành đề tài là các thành viên trong nhóm phải hiểu được cách vận hành và hiểu làm thế nào để có thể tạo ra được bộ điều khiển thích nghi cho một hệ thống để có thể đảm bảo yêu cầu chất lượng đã đặt ra

Đà Nẵng, ngày 06 tháng 12 năm 2022

Lời cảm ơn

PBL2 (Project Based Learning 2) là một môn học yêu cầu kỹ năng kết hợp kiến thức từ nhiều môn học khác nhau và khai thác khả năng tự học, tự nghiên cứu của sinh viên Vậy nên sinh viên sẽ gặp không ít khó khăn trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án Đấy cũng chính là lý do tại sao nhóm em rất cảm ơn Cô TrươngThị Bích Thanh, Thầy Nguyễn Hoàng Mai, Thầy Nguyễn Khánh Quang, Thầy NgôĐình Thanh, Thầy Lê Tiến Dũng và Thầy Giáp Quang Huy cũng như sự hỗ trợ nhiệt tình của anh trợ giảng Lê Hữu Trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất, tận tình giúp đỡ và giải đáp tất cả những thắc mắc của mọi người trong quá trình thực hiện đồ án cũng như hoàn thành những mục tiêu mà môn học PBL 2 đã đặt ra.Để hoàn thiện đồ án lần này và làm cho nó hoạt động đúng như mong muốn ban đầu, chúng em đã phải nỗ lực và cố gắng rất nhiều Nhưng với sự giúp đỡ và góp ý từ các Thầy Cô, chúng em đã có thể học hỏi được rất nhiều điều từ sai lầm của bản thân cũng như từ sai lầm của các thành viên trong nhóm Từ đó, chúng em đã cố gắng hết sức để có thể khắc phục được những thiếu sót trong quá trình thực hiện vàđi đến kết quả ngày hôm nay

Nhóm chúng em kính chúc các Thầy Cô thật nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành công trên con đường sự nghiệp giảng dạy của mình

Đà Nẵng, ngày 06 tháng 12 năm 2021

1.2.4 Các yêu cầu về kỹ thuật 9

1.3 MA TRẬN ƯU TIÊN CỦA DỰ ÁN 9

1.4 BẢNG TÓM TẮT CÔNG VIỆC 10

1.5 MA TRẬN TRÁCH NHIỆM 10

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TẢI 12

2.1 CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CỦA TẢI 12

2.1.1 Lựa chọn của nhóm 12

2.1.2 Hình vẽ 13

2.2 ĐỒ THỊ TỐC ĐỘ DỰ KIẾN CỦA TẢI 13

2.3 CHỌN TỐC ĐỘ DỰ KIẾN TRÊN TRỤC ĐỘNG CƠ 14

2.4 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN MOMEN TẢI VÀ MOMEN QUÁN TÍNH CỦA HỆ 14

2.5 QUY ĐỔI THÀNH PHẦN MOMEN TẢI CỦA HỆ VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ 15

2.6 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CỦA HỆ 15

2.7 TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 16

2.8 CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG C 17

2.9 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 18

2.9.1 Cấu tạo 18

2.9.2 Phân loại động cơ điện một chiều 19

2.9.3 Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều 22

2.10 PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 22

2.10.1 Phương trình đặc tính cơ một chiều kích từ độc lập 22

2.10.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 24

2.10.3 Lựa chọn phương pháp điều khiển 27

2.11 CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ 27

2.12 PHÁC THẢO SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 28

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT 28

3.1 LỰA CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 28

3.1.1 Chỉnh lưu 28

3.1.2 Chỉnh lưu có điều khiển 30

3.1.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 32

3.1.4 Mạch cầu H 33

3.1.5 Lựa chọn 36

3.2 HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN 37

3.3 TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 37

3.3.1 Tính chọn van công suất 37

3.6.1 Bảo vệ quá dòng cho van 43

3.6.2 Bảo vệ quá điện áp cho van 44

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN CHO DỰ ÁN 45

4.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA MẠCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 45

4.1.1 Khái niệm xung PWM 45

4.1.2 Cách để tạo ra xung PWM 47

4.2 ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN 51

4.2.1 Cảm biến tốc độ: 51

4.2.2 Cảm biến dòng 55

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB / SIMULINK 58

5.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 58

5.1.1 Các khối trong Simulink/Matlab 58

5.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển trong miền rời rạc 61

5.2 ĐỀ XUẤT YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 62

5.2.1 Bộ điều khiển PID 62

5.2.2 Bộ điều khiển PI 63

5.2.3 Lựa chọn của nhóm và lý do 64

5.2.4 Yêu cầu chất lượng điều khiển 64

5.3 MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ VÀ TÍNH CHỌN THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN 64

5.3.1 Mô phỏng động cơ bằng mô hình toán và thông số của động cơ mô phỏng 64

5.3.2 Mô phỏng khi không có bộ điều khiển 67

5.3.3 Mô phỏng khi chỉ có bộ điều khiển tốc độ 68

5.3.4 Mô phỏng khi có cả bộ điều khiển tốc độ và dòng điện 68

CHƯƠNG 6: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 70

6.1 GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO UNO 70

6.1.1 Khái quát chung 70

6.1.2 Bộ nhớ của arduino uno 70

6.1.3 Các chân của arduino uno 71

6.1.4 Một số lưu ý khi sử dụng arduino 72

6.1.5 Lập trình cho arduino bằng phần mền arduino IDE 73

6.2 TÌM HIỂU PID TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 73

6.2.1 PID rời rạc hay còn gọi là PID số 73

6.2.2 Chuyển đổi PID trong miền liên tục sang miền rời rạc 74

6.3 CÀI ĐẶT THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐÃ TÌM ĐƯỢC VÀO VI ĐIỀU KHIỂN 75

6.3.1 Thực hiện viết chương trình PID theo các công thức của PID tương tự 75

6.3.2 Sử dụng thư viện có sẵn trong arduino uno để viết chương trình 76

6.3.3 Cách lấy thư viện PID trong Arduino 80

6.3.4 THỰC HIỆN VIẾT ĐOẠN CODE BẰNG THƯ VIỆN 80

6.4 SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA 2 CÁCH VIẾT PID VÀ LỰA CHỌN 82

6.4.1 Cách tự viết theo công thức PID 82

6.4.2 Cách viết theo thư viện PID của arduino 82

6.4.3 Lựa chọn của nhóm về hướng lập trình 82

6.5 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN LẤY MẪU KHI CÀI ĐẶT 83

6.6 CODE HOÀN CHỈNH 83

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ DỰ ÁN

Giới thiệu nội dung của chương: Trong chương này, nhóm sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về đồ án Băng chuyền cũng như trình bày cách nhóm quản lý quá trình thực hiện đồ án

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Xuất phát từ mong muốn hiểu rõ hệ thống Băng chuyền, một trong những hệthống vô cùng quan trọng trong hệ thống dây chuyền sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp Hệ thống băng chuyền nhờ những tính năng ưu việt đã có nhiều sự ứng dụng quan trọng sự phát triển của các doanh nghiệp sản xuất Vì vậy nhóm chúng em đã chọn đề tài này để nghiên cứu

1.2 DANH SÁCH KIỂM TRA PHẠM VI DỰ ÁN (PROJECT SCOPE CHECKLIST)

1.2.1 Mục tiêu của dự án

Dự án tập trung vào việc xây dựng mô hình Băng chuyền và thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống nhằm duy trì ổn định tốc độ của băng chuyền so với giá trị mong muốn Ngoài ra đánh giá nhận xét được sự ảnh hưởng của các tham sốBộ điều khiển, đối tượng

- 10/11/2022: Bắt đầu thiết kế, thi công các bộ điều khiển - 12/11/2022: Lắp mạch, thi công, chạy thử

- 14/11/2022: Kiểm tra, đánh giá, chỉnh sửa - 05/12/2022: Hoàn thiện sản phẩm - 27/12/2022: Bảo vệ đồ án

1.2.4 Các yêu cầu về kỹ thuật

- Điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ thông qua bộ điêu khiển sao cho mô hình vận hành trơn tru, không xảy ra các hiện tượng sai lệch, trục trặc trong quá trình vận hành băng chuyền

- Hệ thống làm việc ổn định, mô hình đẹp mắt,…

1.3 MA TRẬN ƯU TIÊN CỦA DỰ ÁN

Hình 1.1 Ma trận ưu tiên của dự án

GIẢN ĐỒ GANTT CỦA DỰ ÁN

Hình 1.4 Giản đồ Gantt của dự

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ TẢI2.1 CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CỦA TẢI

2.1.1 Lựa chọn của nhóm

- Động cơ 1 chiều kích từ độc lập - Tải tịnh tiến

- Cơ cấu truyền động của tải: Băng chuyền - Ứng dụng: Băng chuyền di chuyển các sản phẩm

Hình 2.1 Mô hình băng chuyền vẽ mô phỏng

2.1.2 Hình vẽ

Hình 2.2 Tải hệ thống truyền động tịnh tiến

2.2 ĐỒ THỊ TỐC ĐỘ DỰ KIẾN CỦA TẢI

Hình 2.3 Đồ thị tốc độ dự kiến của tải

- Chọn tốc độ dự kiến của băng tải là 0,25 (m/s), khối lượng hàng hoá trênbăng tải là m=(200-1000)(g)

2.3 CHỌN TỐC ĐỘ DỰ KIẾN TRÊN TRỤC ĐỘNG CƠ

Bán kính rulo: r = 0,015(m)Tốc độ quay của rulo là

= = 16,67(rad/s)- Tỉ số truyền động

= = (Khi qua hộp số và quay ngược chiều nhau)

2.4 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN MOMEN TẢI VÀ MOMEN QUÁN TÍNH CỦA HỆ

Theo đồ thị dự kiến tốc độ của tải ta xác định được các quá trình diễn ra- Giai đoạn 1 : Động cơ từ =0 đến =16,67(rad/s) trong vòng 1s( từ giây thứ

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

- Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điệntrong cần trục

- Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải - Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn,chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

→ Phương pháp không khả thi, ít được sử dụng.

2.10.2.3 Điều chỉnh điện áp

Có 2 phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng điện áp: - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Khi điện áp Va cấp vào phần ứng tăng thì tốc độ quay của động cơ điện 1 chiều tăng theo, phương pháp điều khiển này khá triệt để và được sử dụng phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ DC.

2.10.3 Lựa chọn phương pháp điều khiển

Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và khôngbị tổn hao

→ Áp dụng phương pháp điều chỉnh tốc động động cơ 1 chiều bằng thay đổi điện áp phần ứng vào động cơ

2.11 CẤP NGUỒN CHO ĐỘNG CƠ

- Nguyên tắc khi thiết kế mạch công suất và mạch điều khiển là phải đảm bảo cách ly về điện giữa hai phần đó Vì thế nên cần 2 loại nguồn cách ly hoàn toàn: + Nguồn cấp cho mạch điều khiển

+ Nguồn cấp cho mạch công suất điều khiển động cơ - Việc cách ly có thể thực hiện qua Opto

- Từ nguồn 220 V qua máy biến áp ra 18 VAC sau đó qua bộ chỉnh lưu để chuyển thành 18 VDC

- Qua các IC 7805, IC 7812 để tạo nguồn 5 VDC và 12 VDC - Có thể dùng tụ điện để hạn chế nhiễu

- Để đảo chiều động cơ, ta dùng mạch cầu H và dùng nguồn 12 VDC để cấp nguồn

2.12 PHÁC THẢO SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT3.1 LỰA CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

3.1.1 Chỉnh lưu

Để cấp nguồn cho tải một chiểu, cần thiết kế các bộ chỉnh lưu Các bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển Để giảm công suất vô công, ngưòi ta thường mắc song song ngược với tải một chiéu một điốt (loại sơ đồ này được gọi là sơ đồ có điốt ngược) Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốt ngược, khi có và không ‘có điều khiển, năng lượng được truyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới

Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới, khi nẫng lượng truyền

theo chiều ngược lại (nghĩa là từ phía tải một chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới.

• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển • Nếu van được dùng là diode thì gọi là chỉnh lưu không điều khiển

• Nếu mạch van dùng cả diode và thyristor thì gọi là chỉnh lưu bán điều khiển LSB - mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đạt yêu cầu, có thể bỏ khâu LSB

HT - khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt động bình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn 1 chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế

3.1.1.2 Các mạch chỉnh lưu cơ bản

- Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ - Chỉnh lưu một pha có điểm giữa - Chỉnh lưu cầu 1 pha

- Chỉnh lưu tia 3 pha - Chỉnh lưu cầu 3 pha

- Chỉnh lưu tia 6 pha

3.1.2 Chỉnh lưu có điều khiển

Các diode xuất hiện trong bộ chỉnh lưu điều khiển dưới dạng mạch điều khiểnbán phần Các diode này dùng để thay thế cho thyristor trong mạch làm giảm giá thành mạch động lực lẫn mạch điều khiển.

Ngoài ra còn có công dụng hạn chế thành phần xoay chiều của dòng chỉnh lưu, dẫnđến chất lượng dòng điện phẳng hơn Do đó giúp tăng hiệu suất cũng như hệ số công suất nguồn điện Ở một vài dạng mạch, việc đưa thêm diode vào làm tăng khả năng điều khiển góc kích alpha trong thực tế đạt đến giá trị lý tưởng.

3.1.2.1 Tải R

Ở nửa chu kỳ dương: Khi xuất hiện xung kích G1 thì dòng điện từ nguồn qua

Thysistor D1, qua tải, qua Diode D2 và về nguồn Điện áp và dòng tải bằng nguồn �� = ��, �� = ��.

Ở nửa chu kỳ âm: Khi có xung kích G4 dẫn, dòng điện đi qua G3, qua tải, qua

D4 và về nguồn Điện áp tải ngược chiều với nguồn � � �� < 0.= −

3.1.2.2 Tải R – L

Ở nửa chu kỳ dương: Dòng điện và điện áp của tải bằng với dòng điện và điện áp

của nguồn Dòng điện tải trễ pha so với điện áp.

Ở nửa chu kỳ âm: Nếu góc kích G4 > 0 thì ở đầu chu kỳ âm do tải có tính cảm nên

sẽ phát dòng điện cùng chiều với dòng ban đầu, dòng điện này sẽ đi qua D2, D3 vàqua tải (do đó dòng điện nguồn ��=0) Dòng qua tải giảm dần đến khi có xung kíchG4 thì dòng điện tiếp tục tăng theo từng chu kỳ cho đến khi xác lập

Ở đầu chu kỳ dương tiếp theo: tải R-L phát dòng điện đi qua D3, D4 và qua tải nêndòng điện nguồn ��=0

3.1.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển

Chỉnh lưu cầu được sử dụng rất rộng rãi trong thật tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V trở lên, dòng tải có thể lên tới 100A Một trong những ưu điểm hơn hẳn của nó so với chỉnh lưu hình tia là không nhất thiết phải có biến áp nguồn: khi điện áp tải ra phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnhlưu vào lưới điện

Mạch chỉnh lưu cầu hay mạch chỉnh lưu 1 pha không điều khiển là mạch biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều sử dụng 4 diode Do cách mắc 4 diode tạo nên một hình cầu nên được gọi là cầu chỉnh lưu.

Nguyên lí hoạt động:

Trong nửa chu kỳ (+) của diode dạng sóng AC đầu vào D1 và D2 được phân cực thuận, D3 và D4 phân cực ngược Khi điện áp được đến điện áp ngưỡng của D1 và D2 lúc này dòng tải sẽ được đi qua như hiển thị ở hình với đường dẫn màu đỏ Ở nửa chu kỳ (-) của dạng sóng AC đầu vào, Diode D3 và D4 sẽ được phân cực thuận, D1 và D2 phân cực ngược Dòng tải lúc này sẽ chạy qua D3 và D4 Chúng ta có thể thấy với cả 2 chu kỳ của điện áp AC đầu vào thì hướng dòng tải đều giống nhau khi đi qua diode và đều theo 1 hướng, có nghĩa là dòng điện đi theo 1 chiều Do đó, bằng việc sử dụng 1 bộ chỉnh lưu cầu thì dòng điện xoay chiều AC đầu vào sẽ được chuyển đổi thay dòng điện 1 chiều DC.

3.1.4 Mạch cầu H 3.1.4.1 Giới thiệu tổng quát

Khi đóng S1 và S4, dòng điện sẽ đi từ nguồn qua S1 qua động cơ rồi qua S4 về mass làm cho động cơ chạy theo chiều thuận Chiều dòng điện sẽ ngược lại khi ta đóng S2 và S3, động cơ sẽ quay nghịch

Không được đóng cùng lúc S1 và S2 hoặc S3 và S4 vì sẽ tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND và gây nên hiện tượng ngắn mạch Có thể hỏng nguồnthậm chí gây cháy nổ mạnh

Và cũng không nên đóng cùng lúc cả 4 công tắt Vì khi làm như vậy cả 2 đầu của động cơ sẽ có cùng một mức điện áp Sẽ không có dòng điện nào chạy qua Đây cũng có thể coi là một cách hãm động cơ nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng

3.1.4.2 Thiết kế mạch cầu H dùng MOSFET

3.1.4.2.1 MOSFET

Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N:

- G (Gate): cực cổng G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic - S (Source): cực nguồn

- D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS)

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ

Phân loại:

- N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input - P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ Gate

Nguyên lý hoạt động

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ: đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng

Mạch điện tương đương của Mosfet Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó

Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0 Điện áp điều khiển đóng là Ugs <= 0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất: Mosfet kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn kênh P thì Ugs ~ 0

3.1.4.2.2 Thiết kế mạch cầu H

Ban đầu MOSFET không được kích, không có dòng điện trong mạch, điện áp chânS bằng 0 Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ítnhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V Như thế MOSFET kênh N không phù hợp đểlàm các khóa phía trên trong mạch cầu H MOSFET loại P thường được dùng trongtrường hợp này Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào

Dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 MOSFET kênh P IRF9540 làm các khoá cho mạch cầu H

Dùng vi điều khiển để kích các MOSFET, sử dụng Opto để cách ly.

3.1.5 Lựa chọn

Dựa trên các yếu tố chi phí, tính phức tạp của mạch, khả năng thực hiện và độ phù hợp với động cơ, nhóm đã đi đến quyết định mạch công suất là mạch chỉnh lưu cầukhông điều khiển 1 pha kết hợp mạch cầu H.

3.2 HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN

3.3 TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 3.3.1 Tính chọn van công suất

Để tránh hiện tượng sụt áp, ta lựa chọn MOSFET làm van công suất Lựa chọn làm MOSFET van công suất :

- Theo số liệu động cơ ta có Udm=12V và Idm=0.75V

- Dòng điện qua các van lớn nhất chỉ có thể bằng dòng tải lớn nhất - Điện áp qua các van lớn nhất bằng nguồn đầu vào

- Vì động cơ ở trạng thái làm việc dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, ta chọn

hệ số dự trữ kIvan=3 , Itbvan=3 Idm=2.25A ∗

- Với điện áp 12VDC cần nguồn cao hơn khoảng 1.25 lần để có phạm vi cho

‣ Nhiệt độ hoạt động : -55 đến +175 độ C.‣ Công suất: 150W

Chọn MOSFET kênh N (Q1 và Q2) IRF540 :‣ Điện áp đánh thủng: 100V

‣ Điện áp V��: ± 20V

‣ Dòng chịu đựng trung bình: 23A‣ Nhiệt độ hoạt động: -55 đến +150 độ C.‣ Công suất : 100W

Chọn Opto PC817 để điều khiển cách ly :‣ Thông số :

Chọn R =330�

Đặc tính của Opto PC817

3.3.2 Tính chọn chỉnh lưu

- Khi chọn diode ta dựa vào hai thông số cơ bản quan trọng nhất là dòng điện

duy trì lớn hơn nguồn điện áp ngược qua diode.

- Điện áp mà mỗi van phải chịu trong mạch cầu chính bằng điện áp dây của

nguồn vào Umax2Udm và Uvk Uuv max

- Trong đó : kuvlà hệ số dự trữ điện áp cho van

Umaxlà điện áp ngược lớn nhất van phải chịu

- Chọn kuv 2.5 Uv 2.5 2 12 42.43V Vậy dựa vào hai thông số dòng điện

hiệu dụng qua van Ihdvan và điện áp ngược trên van (Ungvan)ta chọn Diode 1N4007 có các thông số sau :

‣ Điện áp ngược lặp lại tối đa là: 1000 V‣ Dòng Fwd trung bình: 1000mA‣ Dòng Fwd tối đa không lặp lại: 30A‣ Công suất tiêu thụ tối đa là: 3W

‣ Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +175 độ C.

3.3.2.3 Tính toán bộ lọc

- Để ổn định điện áp sau mạch chỉnh lưu ta mắc song song với một tụ điện.- Để đánh giá hiệu quả của bộ lọc, sử dụng hệ số san bằng ksb với:

qoutlà hệ số đập mạch đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đậpmạch của bộ lọc

- Chọn ksb 8, suy ra

- Điện áp ổn định: 5V

- Có tích hợp bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ ngắnmạch và giữ vùng an toàn cho các transitor ở trong mạch

- Nguyên lý : Cho dòng điện xoay chiều 220V qua máy biến áp để hạ điện áp, rồi lại qua một bộ chỉnh lưu cầu một pha để biến dòng điện xoay chiều thànhdòng điện một chiều Tiếp tục là qua tụ lọc 10000 Fđể san phẳng điện áp rồiqua mạch ổn áp để lấy nguồn 15V và 5V.

- Dùng IC7805 sau chỉnh lưu và bộ lọc nguồn để có nguồn 5V cấp cho Arduino.

- 15V cấp cho mạch cầu H.

Sơ đồ nguyên lí thiết kế mạch nguồn

3.5 THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ÁP

van, sụt áp do hiện tượng chuyển mạch.

- Điện áp một chiều tổng quát Ud tương ứng với tải định mức bao gồm :

Trong đó :

‣ Uddm : Điện áp một chiều tải định mức

‣ Uluoi: Sụt áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức vì lưới điện không ổn

‣ Uv : Sụt áp trung bình trên các van bán dẫn

‣ UR: Tổng sụt áp do thành phần một chiều gây ra trên điện trở‣ U : Sụt áp do hiện tượng chuyển mạch gây ra khi điện kháng phía

xoaychiều là đáng kể

3.5.2 Tính toán3.5.2.1 Tỉ số biến áp

- Vì động cơ có dải điện áp hoạt động trong khoảng từ 3 – 12V, nên chọn

nguồn nuôi động cơ là 15V, vì vậy chọn giá trị điện áp hiệu dụng của phía sơcấp máy biến áp U215V Với điện áp lưới U1220Vta xác định được tỉ sốbiến áp:

baUk

‣ PdU Id dlà công suất phía chỉnh lưu

- Với sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển thì dòng điện hiệu

dụng

phía thứ cấp và phía sơ cấp của máy biến áp là:

- Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện, thường dùng cầu chì hoặc

aptomat.Chọn Ibv (1.1 1.3) Iv

- Ta có : Ibv = 1,2 Iv = 1,2.2.25 = 2,7A → Chọn cầu chì có Iđm = 3A

3.6.2 Bảo vệ quá điện áp cho van

Dùng mạch RC mắc song song với các van và phải đặt càng gần van càng tốt, sao cho dây nối ngắn tối đa

3.6.2.1 Tính hệ số quá áp của van được chọn

k = Ucp/Utt

• Ucp là điện áp lớn nhất cho phép đặt lên van ở chế độ phi chu kỳ, tuy nhiênthông thường nó cao hơn giá trị cho phép ở chế độ phi chu kỳ cỡ 10%.• Utt là điện áp thực tế lớn nhất trên van khi làm việc.

→ k = Ucp/Utt = 110/42.43 = 2,59

3.6.2.2 Tra đồ thị các hệ số ∗� , �∗��� �∗���,

Đồ thị tính mạch RCTừ đồ thị, suy ra:

C∗ = 0,1

R∗min = 2Rmax∗ = 4,3

3.6.2.3 Tính năng lượng từ trường tính luỹ trong biến áp

� � = 0,5 �� (��� �� )^2 = Sba I����/(√2 2 ω)�Trong đó :

• ��� – công suất biến áp.• 2 – dòng điện thứ cấp biến áp.�• �� – điện cảm từ hóa biến áp.

• ����� - biên độ dòng từ hóa; thường trong khoảng 3% 7% dòng định mức I2.Biên độ điện áp thứ cấp :� 2� = 1,41 2 = 1,41.15 = 21,15 ( )� �

Dòng điện thứ cấp : 2 = � ���/�2=13.8375/15= 0,9225 (A)

Biên độ dòng từ hóa : ����� = √2 0,04 2 = √2 0,04.0,9225 = 0,0521 ( )� ��� = 0,5 �� ����� 2 =Sba I����/√2 2 Ω = 13,875 0,0521/ √2 �0,9225.100�

Từ đây ta tính được các giá trịVậy chọn C = 2�� và R = 1000 Ω

CHƯƠNG 4

PHÂN TÍCH VÀ TÍNH CHỌN

MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢM BIẾN CHO DỰ ÁN4.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CỦA MẠCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG4.1.1 Khái niệm xung PWM

Xung là các trạng thái cao / thấp (HIGH/LOW) về mức điện áp được lặp đi lặplại Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM (Pulse Width Modulation) bao gồm tầnsố (frequency) và chu kì xung (duty cycle).

Tần số là số lần lặp lại trong 1 đơn vị thời gian Đơn vị tần số là Hz, tức là số

lần lặp lại dao động trong 1 giây.Ví dụ:

+ 1Hz = 1 dao động trong 1 giây.+ 2Hz = 2 dao động trong 1 giây.+ 16MHz = 16 triệu dao động trong 1 giây.

Một dao động được xác định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trạngthái bắt đầu được lặp lại

Cách tạo dao động

Như vậy thông thường, 1 dao động sẽ bao gồm 2 trạng thái điện: mức cao (x giây)và mức thấp (y giây) Tổng thời gian của 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung(x+y)

Độ rộng xung = (x/(x+y))*100, đơn vị %.

Tỉ lệ phần trăm thời gian giữa 2 trạng thái điện này chính là chu kì xung.- Với x/y = 0% ta có xung chứa toàn bộ điện áp thấp (khái niệm xung nên hiểumở rộng)

- Với x/y = 50% thì 50% thời gian đầu, xung có điện áp cao, 50% sau xung cóđiện áp thấp.

- Với x/y=100% ta có xung chứa toàn bộ điện áp cao.Tóm lại, với 1 xung ta có:

+ Tần số: để tính toán ra được thời gian của 1 xung

+ Chu kì xung: bao nhiêu thời gian xung có mức áp cao, bao nhiêu thời gianxung có mức áp thấp

4.1.2 Cách để tạo ra xung PWM4.1.2.1 Tạo xung bằng phần cứng

IC NE555 là một mạch tích hợp của hãng CMOS sản xuất, là một linh kiệnkhá phổ biến để tạo được xung PWM và có thể thay đổi tần số tùy thích.NE555 làm việc với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung.Vì vậy, NE555 được sử dụng trong một loạt các bộ đếm thời gian, thế hệxung, dao động và các ứng dụng NE555 có thể được sử dụng để cung cấp cho sựchậm trễ thời gian, như một dao động, và như là một yếu tố flip-flop Các dẫn xuấtcung cấp lên đến bốn mạch thời gian trong một gói.

Sơ đồ chân IC555

4.1.2.1.1 Cấu trúc bên trong của NE555

+ Hai bộ so sánh (hai op-amps)+ Một Flip-flop R-S

+ Hai transistor

+ Một mạng điện trở gồm 3 điện trở bằng nhau (5k Ohms) để hoạt động nhưmột bộ chia điện áp và cấp cho đầu vào của 2 Op-amps như là điện áp tham chiếu

4.1.2.1.2 Mạch tạo dao động bằng IC NE555

Mạch tạo dao động xung của IC555Bộ so sánh 1 - so sánh điện áp ngưỡng (ở chân 6) với điện áp tham chiếu+ 2/3 �CC.

Bộ so sánh 2 - so sánh điện áp kích hoạt (ở chân 2) với điện áp tham chiếu+ 1/3 �CC.

❖ Khi Q ở mức THẤP, Vout sẽ ở mức CAO (mà chúng ta gọi là Đầu ra hẹn giờ).+ Q được kết nối trực tiếp với đế của transistor (tại đầu cực xả).

+ Vì vậy, khi Q ở mức THẤP, bóng bán dẫn sẽ ở trạng thái cắt (trạng thái TẮT).+ Ở trạng thái này, tụ C được kết nối trực tiếp với nguồn điện Vcc thông qua cácđiện trở �� và ��

+ Vì vậy, tụ điện sẽ bắt đầu sạc về phía điện áp cung cấp Vcc và hằng số thời giansạc sẽ được xác định bởi các giá trị �� và �� là (�� �� + ) * C.

+ Các tụ điện sẽ sạc về phía Vcc và điều này sẽ làm tăng điện áp ngưỡng (điệnáp trên chân 6) của IC 555.