Tiểu luận môn học hệ thống Điện – Điệntửôtôđề tài 7 Điều khiển Động cơ Điệndc

Giới thiệu tổng quát động cơ DC Động cơ một chiều DC DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors" là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TIỂU LUẬN MÔN HỌC : HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Ô TÔ

ĐỀ TÀI 7: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC

GVHD: TS Lê Thanh Phúc

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Quốc Thắng MSSV: 21145277

Lê Phúc Thịnh MSSV: 21145281 Nguyễn Quốc Thịnh MSSV: 21145283 Nguyễn Minh Toàn MSSV: 21145297 Trần Minh Tràng MSSV: 21145300

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2023

MỤC LỤC

I PHẦN MỞ ĐẦU 1

A Lý do chọn đề tài 1

B Mục tiêu nghiên cứu 2

C Phương pháp nghiên cứu 2

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1 Giới thiệu tổng quát động cơ DC 2

A Cấu tạo của động cơ DC 3

B Phân loại động cơ điện một chiều DC 4

C Ưu và nhược điểm của động cơ DC có chổi than 4

D Mô hình hoá động cơ DC 5

2 PWM (Pulse Width Modulation) là gì? 6

3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 6

4 Mạch cầu H là gì? 7

III THỰC HÀNH 10

A.Thiết kế mạch mô phỏng 10

B Yêu cầu đặt ra 11

C Kết quả sau mô phỏng 11

D Source code của phần mô phỏng 13

E Mạch khi lắp thực tế: 14

KẾT LUẬN 15

Tài liệu tham khảo 17

I PHẦN MỞ ĐẦU

A Lý do chọn đề tài

Ngành công nghiệp ô tô của nhân loại đã phát triển vượt bậc trong nhiều thế kỷ qua Ban đầu là những chiếc xe thô sơ chạy bằng động cơ hơi nước, động cơ khí đốt, rồi từ từ cải tiến lên những loại động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu và sau này là điện và hybrid Mục tiêu của nhà sản xuất là tạo ra một sản phẩm tốt nhất nhằm đem lại sự tiện nghi và độ

an toàn cao nhất cho khách hàng Đó chính là nền tảng để tạo ra nhiều phát minh hơn về ngành công nghiệp ô tô trên thế giới Như chúng ta biết, động cơ được xem là một phần quan trọng để giúp một chiếc xe vận hành

Đó có thể là một động cơ nhỏ cho một chiếc sedan thon gọn chạy trong phố, hoặc có thể là những chiếc động cơ to lớn để giúp xe tải, container kéo những chuyến hàng nặng nề lăn bánh đi khắp bốn phương Không chỉ giúp xe lăn bánh mà khi động cơ hoạt động giúp những thiết bị khác trên

xe hoạt động như điều hòa, máy phát điện Với những dẫn chứng trên giúp chúng ta phần nào có 1 cái nhìn tổng quan hơn về tầm quan trọng của một chiếc động cơ Ngày nay, do chất lượng cuộc sống của con người được nâng cao, những yếu tố về môi trường sống cũng luôn được con người quan tâm và đặt lên hàng đầu Vì thế, những động cơ đốt trong như xăng và diesel tuy đã gắn bó với chúng ta trong một khoảng thời gian dài

và mang đến những ích lợi vô cùng lớn trong nền vận tải Nhưng do sử dụng nhiên liệu để hoạt động và thải ra khí cacbonic và hidrocacbon quá nhiều làm ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của con người Do đó, động cơ điện ngày nay luôn dẫn đầu xu hướng, nhằm hướng tới mục đích bảo vệ môi trường Những hãng xe lớn trên thế giới cũng đang xoay kim chỉ nan của mình qua nghiên cứu về mãng này Điển hình trên thế giới có Tesla, Volkswagen, Còn ở Việt Nam ta thì nổi tiếng là Vinfast Vinfast ngày nay đang cực kỳ thành công với hướng đi xe điện của mình, họ đang từng bước tiếp cận và đưa thương hiệu xe điện của họ đi khắp thế giới

Họ cũng đã tự sản xuất xe điện để phục vụ thương mại bằng hình thức taxi trên khắp đất nước ta Xe điện không dùng động cơ như động cơ đốt trong, cũng không thực hiện hành trình nạp, nén, nổ, xả Mà hoạt động hoàn toàn dựa vào động cơ điện Thế động cơ điện là gì? Và vì sao nó lại hoạt động? Động cơ điện có rất nhiều loại được sử dụng phổ biến hiện

nay, do ít gây ra tiếng ồn và nạp nhiên liệu bằng hình thức sạc pin Động

cơ này chủ yếu hoạt động bằng pin Điểm đáng chú ý là xe chạy và không thải nhiên liêu gây ô nhiễm môi trường Lĩnh vực xe điện ngày nay sử dụng rất nhiều động cơ, chẳng hạn như: Động cơ điện DC, Động cơ IM (Induction Motor), Động cơ SRM từ trở thay đổi, Mỗi động cơ sẽ có những nguyên lý hoạt động riêng

Trong bài tiểu luận này, nhóm chúng tôi sẽ nghiên cứu về cách sử dụng mạch cầu H để điều khiển động cơ một chiều DC qua trình điều khiển của Arduino Đây là một tiếp cận về những thiết bị đơn giản để các thành viên trong nhóm có cái nhìn tổng quan và hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, cấu tạo, phương thức vận hành của các thiết bị, về source code, cách xuất, nhập dữ liệu để động cơ hoạt động Để sau này áp dụng những kiến thức đó vào những động cơ to lớn và phức tạp hơn

B Mục tiêu nghiên cứu

"Điều khiển động cơ điện DC" được thực hiện với các mục đích sau: Tìm hiểu về Arduino và cách hoạt động của mạch cầu H

Tìm hiểu phương pháp điều chỉnh, thay đổi điện áp tải ra bằng việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, từ đó có sự thay đổi điện áp để kiểm soát tốc độ của động cơ điện DC (PWM)

Thực hiện mô phỏng bằng phương pháp sử dụng mạch cầu H để điều khiển động cơ điện DC - Tạo mô hình thử nghiệm dựa trên mô hình mô phỏng để điều khiển động cơ điện DC bằng PWM

C Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu về động cơ điện DC bằng cách tham khảo video và tài liệu có sẵn trên nền tảng internet

Vận dụng những kiến thức đã tìm hiểu được vào việc tính toán và thực hành dự án

Tính toán thiết kế mạch, xây dựng các thuật toán thực hiện lắp ráp mẫu thử nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán đã xây dựng

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Giới thiệu tổng quát động cơ DC

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

là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC- điện áp 1 chiều (khác với điện áp AC xoay chiều) Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn- VCC và dây tiếp đất- GND) DC motor là một động

cơ một chiều với cơ năng quay liên tục

Khi bạn cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành cơ năng Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao (số vòng quay/ phút) Tốc độ không tải của động cơ DC nếu không giảm tốc có thể đạt từ 1000 RPM tới 40.000 RPM

Ứng dụng của động cơ DC cũng rất đa dạng và hầu hết trong mọi lĩnh vực của đời sống Trong tivi, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, máy công nghiệp…

Đối với động cơ điện 1 chiều có loại không chổi than (Brussless DC Motor- BLDC) và động cơ có chổi than (Brush DC Motor- DC Motor)

Do động cơ BLDC thực chất là động cơ điện 3 pha không đồng bộ vì vậy mình chỉ xét động cơ điện 1 chiều có chổi than

A Cấu tạo của động cơ DC

Gồm có 3 phần chính: stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ góp – chỉnh lưu

+ Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện

+ Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

+ Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là đổi dòng điện trong khi chuyển dộng quay của rotor là liên tục Bộ phận này thường có gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc cổ góp

Về nguyên lý hoạt động, động cơ điện một chiều lấy năng lượng thông qua dòng điện trực tiếp và chuyển đổi thành vòng quay cơ học Khi động

cơ DC lấy năng lượng điện sẽ tạo ra một từ trường trong Stator Từ trường này sẽ hút và đẩy nam châm trên Roto từ đó làm quay Roto

Đây là quy tắc hoạt động dựa trên quy tắc “Bàn tay trái” Tuy nhiên, để máy có thể hoạt động thì Roto phải quay liên tục không ngừng từ đó người ta sẽ gắn bộ chuyển đổi vào phần bàn chải đã kết nối dòng điện để cung cấp nguồn điện cho cuộn dây động cơ Mặt khác, tốc độ quay của mỗi loại động cơ DC sẽ thay đổi và có sự khác biejt theo từng chu kỳ thời gian (vòng/phút hoặc lên đến nghìn vòng/phút) tùy vào nhu cầu sử dụng trên từng loại máy khác nhau

Có thể nói rằng động cơ DC là động cơ đơn giản và phổ biến nhât, được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp chết tạo và sản xuất và trong các thiết bị gia dụng,…

Hình 01.Nguyên lý hoạt động của động cơ DC Nguồn: https://cdn.tgdd.vn//News/1460196//1.1-845x500.jpg

B Phân loại động cơ điện một chiều DC

Tùy vào nguyên lý hoạt động và mục tiêu khác nhau, động cơ điện DC

sẽ được phân loại và chế tạo để ứng dụng phù hợp với từng loại vật dụng

và nhu cầu khác nhau Mỗi loại sẽ có các ưu, nhược điểm riêng Có nhiều loại động cơ một chiều DC, ví dụ như:

+ Động cơ DC có chổi than (Brushed DC Motor)

+ Động cơ DC không chổi than

+ Động cơ DC kích thích riêng biệt

+ Động cơ DC tự kích thích

C Ưu và nhược điểm của động cơ DC có chổi than

So với các loại động cơ khác đặt biệt là động cơ DC không có chổi than (BLDC) thì động cơ DC có chổi than có nhiều ưu điểm vượt trội:

- Động cơ có chi phí ban đầu rẻ, tuy vậy độ tin cậy lại rất cao

- Tốc độ động cơ được điều chỉnh một cách đơn giản và kiểm soát tình trạng quá tải tốt nên vận hành rất êm ái

- Cấu tạo của động cơ rất đơn giản không cần bộ điều khiển riêng biệt như các loại động cơ khác, chỉ cần một công tắc là có thể điều khiển

dễ dàng

- Trọng lượng của động cơ nhẹ nên có thể lắp đặt ở bất cứ đâu

- Tình trạng bị nhiễu điện từ trên đường dây của động cơ rất nhỏ

Bên cạnh những ưu điểm kể trên thì động cơ DC có chổi than cũng có những nhược điểm khó tránh khỏi:

- Chi phí bảo trì, bảo dưỡng cao và tuổi thọ của động cơ sẽ giảm khi sử dụng ở cường độ cao

- Các chổi than và lò xo mang dòng điển phải thường xuyên được thay mới để đảm bảo hiệu năng của động cơ

- Tuy vận hành rất êm ái nhưng động cơ dễ gây ra tiếng ồn hơn so với các động cơ khác

- Năng lượng bị mất mát nhiều do sự ma sát giữa các chổi than và roto khiến cho cuộn dây bị mài mòn

D Mô hình hoá động cơ DC

Mô hình tương đương của phần cứng động cơ như sau:

Hình 02 Mô hình động cơ DC kích từ nối tiếp

Theo mô hình ta viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

�� = �� �� +����� �� + �� (1)

�� = �� Φ n (1.2) Momen điện từ:

�� = �� Φ Ia(2) Phương trình của động cơ:

�� = ����� + �� + TL(3)

Ở chế độ xác lập:

�� = �� �� + ��(4)

�� = 2��� + TL = �� Φ Ia(4.1) Tốc độ động cơ ở chế độ xác lập:

� =��−��.���

� Φ (5) Trong đó :

-B : Hệ số ma sát

-T : Momen tải

-Φ : Từ thông do nam châm vĩnh cữu

-n : Tốc độ động cơ

2 PWM (Pulse Width Modulation) là gì?

Xung PWM là một dạng sóng vuông, xung đơn Tín hiệu có 2 mức là Thấp (Low) và Cao (High)

Hình 03 Hình ảnh xung độ rộng xung PWM Nguồn:

https://bachkhoa.org/wp-content/uploads/2021/10/PWM_XUNG.png

PWM (Pulse Width Modulation) được hiểu là một phương pháp điều khiển điện áp ra tải Phương pháp này nhằm mục đích điều chỉnh độ rộng xung khiến ra điện áp đầu ra bị thay đổi

PWM dùng để điều khiển tốc độ nhanh chậm của động cơ và điều khiển nhằm ổn định tốc độ động cơ

Tóm lại, thay vì ta điều khiển điện áp một cách liên tục, ta có thể điều khiển các xung của điện áp có tần số cố định, ta chỉ thay đổi độ rộng của xung Như vậy, lúc đó giá trị điện áp trung bình cũng thay đổi theo, vì thế

ta có để điều khiển được động cơ một chiều DC

Công thức điện áp trung bình:

Utb=Udm*Thigh/T (6)

Trong đó:

- Utb : Điện áp trung bình (Volt)

-Udm : Điện áp định mức cung cấp cho động cơ (Volt)

-Thigh : Thời gian xung ở mức cao (s)

-T : Chu kỳ xung (s)

3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Đối với loại động cơ điện kích từ độc lập sử dụng nam châm vĩnh cữu,

để thay đổi tốc độ động cơ, ta thay đổi mức điện áp cung cấp cho rotor Việc cung cấp áp một chiều thay đổi tốc độ thường khó khăn, do vậy ta sẽ dùng phương pháp PWM

Hình 04 Điều chỉnh độ rộng xung

Phương pháp điều khiển PWM khi biến đổi sẽ có cùng 1 tần số, khác nhau về chu kỳ nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi dòng điện áp trung bình đặt vào động cơ

Vdk=���� Vin (7) Trong đó:

- Vdk: Điện áp điều khiển (Volt)

- Tn : Chu kỳ (s)

- Vin : Điện áp vào (Volt)

Do có đặc tính cảm kháng của động cơ, dòng đi qua động cơ là dòng liên tục và có gợn sóng

4 Mạch cầu H là gì?

Đây là dạng mạch cầu H dễ làm và phổ biến nhất Mạch này sử dụng transistor NPN và PNP để điều khiển tốc độ động cơ Khi transistor NPN

ở trạng thái dẫn và PNP ở trạng thái cắt, động cơ sẽ quay theo chiều thuận

Để động cơ quay theo chiều ngược lại thì transistor NPN ở trạng thái cắt

và PNP ở trạng thái dẫn Như vậy sẽ cho phép ta điều khiển động cơ quay

được 2 chiều Mạch này sử dụng 4 transistor, trong đó có 2 NPN và 2 PNP được kết nối với nhau theo mạch dạng cầu

Trong mạch cầu H, 4 transistor NPN và PNP sẽ được kích hoạt xen kẽ lẫn nhau để điều khiển động cơ Khi một cặp NPN và PNP được kích hoạt, một trong hai sẽ ở phía trên và một ở phía dưới, dòng điện sẽ đi qua tải theo hướng tương ứng Khi cặp còn lại được kích hoạt thì dòng điện sẽ

bị đảo chiều, từ đó điều khiển tải đi theo hướng khác

Việc điều khiển mạch cầu H sẽ được thực hiện thông qua các cổng kết nối đến bốn transistor Tùy thuộc ở đầu vào của các cổng, điện áp sẽ được đưa vào để kích hoạt hoặc ngưng hoạt động của các transistor Sự kích hoạt và ngưng hoạt động của các transistor tạo ra các tín hiệu để điều khiển hướng và tốc độ quay của động điện

Hình 05 Mô hình mạch cầu H Nguồn:

http://k1.arduino.vn/img/2014/08/03/0/745_12320-1407043541-0-h-bridge.png

*Nguyên lý hoạt động

+ A ở mức LOW, B ở mức HIGH: Q1 mở, Q3 đóng, Q2 đóng, Q4 mở Dòng điện trong mạch chạy từ nguồn 12 đến Q1 quay động cơ đến Q4 và GND Nhìn điện cực trên động cơ ta thấy chiều quay của động cơ là chiều thuận

Hình 06 Chiều dòng điện khi A ở mức LOW và B ở mức HIGH Nguồn:

http://k3.arduino.vn/img/2014/08/04/0/699_81220-1407130255-0-dc3.png

+ A ở mức HIGH, B ở mức LOW: Q1 đóng, Q3 mở, Q2 mở, Q4 đóng Dòng điện trong mạch chạy từ nguồn 12V đến Q2 qua động cơ đến Q3 và

về GND Động cơ quay theo chiều ngược (nhìn điện cực trên động cơ)

Hình 07 Chiều dòng điện khi A ở mức HIGH và B ở mức LOW Nguồn:

http://k2.arduino.vn/img/2014/08/04/0/703_88220-1407130257-0-dc4.png

+ Khi A và B ở mức LOW: Q1 và Q2 mở, Q2 và Q4 đóng Do không

có đường để dòng điện qua động cơ về GND nên động cơ không hoạt động

+ Khi A và B ở mức HIGH: Q1 và Q2 đóng, Q3 và Q4 mở Do không

có đường để dòng điện chạy từ nguồn 12V ra nên không có dòng điện qua động cơ, động cơ không hoạt động

+ Để điều khiển tốc độ động cơ ta cần thay đổi điện áp đi vào 2 cực điều khiển của mạch cầu H và hiệu điện thế giữa 2 cực điều khiển càng lớn thì tốc độ động cơ càng nhanh

III THỰC HÀNH

A.Thiết kế mạch mô phỏng

Hình 08 Mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus

Mạch trên được thiết kế mô phỏng trên phần mềm Proteus 8

Professtional Với các linh kiện trong mạch mô phỏng (tên linh kiện được lấy đúng như tên gọi mặc định nhà sản xuất đặt trong phần mềm) như sau:

1 04 con 1N5408 (Diode)

2 10 con Resistor 1K

3 01 Arduino UNO R3

4 01 Button

5 03 Motor

6 01 Pot-HG

7 01 TIP 31

8 01 TIP 32

9 01 Voltage

B Yêu cầu đặt ra

Yêu cầu sau khi lắp đặt mạch sẽ làm quay động cơ DC, sau khi chúng

ta nhấn nút nhấn động cơ DC sẽ đổi chiều quay Khi ta điều chỉnh giá trị (%) trên biến trở thì sẽ điều chỉnh được tốc độ của động cơ theo mong muốn của chúng ta

C Kết quả sau mô phỏng

Sau khi đã lắp mạch theo đúng như hình, ta tiến hành nạp file source code đã lập trình sẵn trên ứng dụng Arduino IDE (lưu ý khi nạp file source code vào phần mềm Proteus phải định dạng file ở dạng “.ino”) Khi hoàn thành những bước trên, ta tiến hành chạy thử Đầu tiên động cơ (Motor) đặt ở trung tâm sẽ xoay và khi ta nhấn nút nhấn (button) thì động

cơ sẽ quay ngược lại theo như ý chúng ta mong muốn Khi chúng ta điều