Đồ án kỹ thuật Điện Điện tử Đề tài thiết kế mạch Điều khiển tốc Độ Động cơ bằng xung pwm

Đề tạo nên một bo mạch điều khiến tốc độ cơ một chiều bằng phương pháp PWMI bao gồm 2 phần: phản điều khiển và phần công suất.. Với mục đích có thể tạo ra một mạch điều khiển tốc độ động

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT HUNG YEN

ĐÈ TÀI: TẮÑt kế mạch điều khiến tốc độ động cơ bằng xung PWM

ø viên hướng dân : Tran Xuân Tiên

MUC LUC

LOT CAM ON occcccccccccccesseessesesesseesinsereesstisareteterssaetiserisiessisansnesssees 6

NY CO 9) Q2 2 2122222222212112211222121212212212121 2121 rưe 7

1 Lý do chọn đề tài ST HH2 nga 7

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - cece 1E 121111111 2x2 8

3 Phương pháp nghiên cứu c1 2222212211121 1521 1121111125111 1 e2 8

4 Mục tiêu của đề tài - T221 1n 2g ru 8

2.4 Thư viện LCDCrystal.h - - Q2 2011220111211 11211221 ke Hyu 22

2.5 Hién thị LED 7 thanh bằng phương pháp quét LED 23

2.6 Phần mềm Altium Designer - - 0Q n2 H212 HH s1 2211112 24

Chương 3: THIẾT KẺ, CHẺ TẠO KIT ARDUINO - sec 26 3.1 Sơ đồ khối Kit Arduino Mega - 2s T22 2 re 26 3.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý - 52 21SSE1111711 112112121111 E1 rrre 27

3.3 Thiết kế, chế tạo mạch ïm - . 1 2c 1222221113221 11155 1152511115 E xe 33

Chương 4: LẬP TRÌNH ĐIÊU KHIỂN 52 s21 E112 E21 re ren 35 4.1 Lưu đề thuật toán - 5 ST E1 2212111121111 2E 2n H re 35

4.2 Triển khai chương trình - 2 1121211111221 1 1532211111 nhưng 36

Chương 5: KÉT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ - 2+ 2212212112212 te 38 5.1 Kết luận - 2 S2S11E1 1121171121121 1 112122112 38

5.2 Đánh giá và định hướng phát triển PHỤ LỤC 22 2s22222,c2.ceere.

Danh muc hinh a Hình 1 1: Hình ảnh thực tế Board Arduino Mega - sec 10 Hinh 1 2: Arduino Mega và các ứng dụng - - c2 c2 v2 re 11

Hình 1 3: Ứng dụng LED matrix với Arduino Mega - 5: ssccse: 12

Hinh 1 4: Loadcell cân sàn MP 72 L1 1 n1 1911111 112111111122 1 2n rưy 13 Hình I 5: Mạch cầu Wheatstone - 2s 3 121551151151 1151151111111511 151211 x55 14 Hình 1 6: Hoạt động của cảm biến trọng lượng 52-52 c c2 15

Hình 1 7: Cảm biến áp suất BMP180 - 5 S1 2111151812121 xe 16

Hình 1 8: Sơ đồ đầu nối cảm biến áp suất với Arduino Uno 16

Hình 1 9: LCDI6x2 nền xanh - 2s: 2222222211222111221111222111 22211 xe 17 Hình 1 10: Sơ đồ chân LCD l6x2 -.2:-222t 2222212221222 18 Hình 1 11: Cấu tạo LED 7 thanh s:222+t222+12211221122111221221 2 20

Hinh 1 12: Nguyên lý hoạt động LED 7 thanh - 5 22522222 sccsx+2 20

Hình 1 13: Bang chan ly LED 7 thanh - -¿ 5222222222222 2E22222212+e 21

Hình 1 14: Phân loại LED theo cực dương chung và cực âm chung 22Y Hinh 2 1: Arduino IDE - Phan mém lập trình mã nguồn mở miễn phí 23

s00 00200 1009 San Ố ố 24

Hinh 2 3: Tương thích với bo mạch ArduIno ¿5222222 cszsss2 24 Hinh 2 4: Thư viện đa dạng - c1 2222211211221 1221 1122115511112 1 18k rườ 25 Is)00)i0 S10 /0ì0ìi 0a9 c7 25

Hình 2 6: Sơ đồ kết nối module HX-711 ¿:-255:22+c22xczzxczrrrrrrrre 26

Hinh 2 7: Tải file nén thư viện HX-7l Ì G 111 11v v11 1x2 27

Hinh 2 §: Phương pháp quét LED 7 thanh 2

Hình 3 1: Sơ đỗ khối hệ thống - 5 S1 2E 211218111121121121121 2E c6 32

Hình 3 2: Sơ đỗ nguyên lý Kít Arduino Mega ác nen 33 Hình 3 3: Khối nguồn ha AP OV ooo ccccccccccecesseeseceeentecneecnsesssesseseseeesteees 34

Hình 3 4: Khối hiển thị LCD 16x2 2255:222222211222112221222 22tr, 35

LOI CAM ON

Ngày nay, ứng dung cua động cơ điện trong sản xuất và cuộc sông dang rat phô biên Việc điều khiên các tham số động cơ như vị trí, tôc độ, momen xoăn, đang ngày càng được chú trọng

Với sự ra đời của các IC số đặc biệt, kết hợp phần cứng công suất có thê tạo

ra nhiều phương pháp điều khiến hay biến đối đa dạng phù hợp cho từng ứng dụng khác nhau Khi xác định được phương pháp điều khiến phù hợp, lựa chọn IC số và thiết kế mạch điều khiển là vô cùng cần thiết và hữu ích cho xã hội

Phần mềm Altium là một trong các phần mềm hàng đầu trong việc thiết kế mạch điện tử với nhiều tính năng và trải nghiệm ưu việt, phô biến, đễ sử dụng, giúp

người dùng có thê nhanh chóng hoàn thành các dự án Với nhu cầu trên em đã được

giao đề tài “Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bằng xung PWM” Đề hoàn thành được đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Tiến cùng toàn thể các thầy cô giáo và các bạn trong trường Đại Học SPKT Hưng Yên đã giúp

đỡ và hướng dẫn em tận tình đề hoàn thành được đề tài này

Sinh viên thực hiện

Đỗ Khánh Duy

MO DAU

1 Ly do chon dé tai

Ngày nay, cùng với sự phát triển của hoạt động sản xuất công nghiệp, việc ứng dụng động cơ điện, đặc biệt là động cơ điện một chiều trong thực tế ngây cảng phô biến Khi sử dụng động cơ, việc điều khiển các thông số chính như tốc độ, momen xoắn, là rất cần thiết nhằm đảm bảo phục vụ tốt nhất cho ứng dụng và

tiết kiệm chi phi tối đa

Có nhiều phương pháp điều khiến tốc độ động cơ DC, trong đó, điều khiến tốc độ bằng phương pháp PWM đem lại hiệu suất hoạt động, độ bền cũng như tiết kiệm chi phi nhat trong thực tế Đề tạo nên một bo mạch điều khiến tốc độ cơ một

chiều bằng phương pháp PWMI bao gồm 2 phần: phản điều khiển và phần công suất

Phân điều khiến chịu trách nhiệm tạo xung PWMI điều khiển khối công suất nhằm

thay đôi điện áp trung bình trên động cơ và thay đôi tốc độ động cơ

Với mục đích có thể tạo ra một mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều đơn giản, giá thành thấp, hoạt động ổn định phù hợp với các ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong hoc tập nghiên cứu, em đã lựa chọn dé tài: “Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động co bang xung PWM” với mong muốn đem những kiến thức mình học được ứng dụng vào thực tế hỗ trợ các b sinh viên và người dùng học

tập

Quá trình học tập trên lớp và rèn luyện trong quá trinh thực tập xưởng, em đã học được những kiến thức cơ bản về thiết kế, chế tạo mạch điện, đó là vốn kiến thức

- hiểu biết nhất định Đề nâng cao được năng lực kỹ thuật về chế tạo các bộ điều

khiển dùng trong học tập và nghiên cứu thì việc nghiên cứu đề tài này có tính cấp

thiết cho nhu cầu bản thân và phục vụ cho công việc sau khi ra trường công tác thực

tÊ trong các công ty, nhà máy, cơ sở học tập, nghiên cứu

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng:

+ Nghiên cứu phương pháp điều khiến tốc độ động cơ một chiều

+ Nghiên cứu phương pháp điều khiên PWM

+ Nghiên cứu các phần mềm thiết kế mạch

+ Nghiên cứu các phương pháp chế tạo mạch

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Chế tạo mạch điều khiến trong phạm vi học tập, nghiên cứu

+ Các IC logic, IC công suất thông dụng trên thị trường

3 Phương pháp nghiên cứu

Để xây dựng và phát triển đề tài thì sử dụng các phương pháp nghiên cứu

sau:

- _ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng các kiến thức cơ sở lý thuyết và các

tài liệu liên quan

- _ Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Dựa trên các panel trong xưởng và một số

doanh nghiệp, thiết kế và lắp đặt panel

4 Mục tiêu của đề tài

- _ Làm rõ các phương pháp chính điều khiển tốc độ động cơ một chiều, ưu nhược

điểm

- _ Phân tích phương pháp điều khiến xung PWM, cach thiét kế mạch

- _ Đề xuất được các phương án giải pháp, đưa ra được kết luận và khuyến nghị

5 Sản phẩm dự kiến đạt được

Bộ điều khiên tốc độ động cơ một chiều với điện áp hoạt động 12-24VDC

-_ Bộ điều khiển hoạt động ôn định, dễ đàng bảo trì sửa chữa

6 Kế hoạch thực hiện

-_ Bước 1: Nghiên cứu phương pháp điều khiến tốc độ bằng xung PWM

- Bước 2: Nghiên cứu mạch điều khiến tốc độ động cơ bằng xung PWM

Bước 3: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển

Chuong 1: TONG QUAN

1.1 Động cơ điện một chiều là gì? Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

một chiều?

a) Động cơ điện một chiều là gi?

Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tat cua Direct Current Motors) la déng co được điều khiến 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

® Cấu tạo:

Cầu tạo của động cơ điện l chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:

- Stator: la 1 hay nhiéu cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện

- Rotor: phan lõi được quan các cuộn dây để tạo thành nam châm điện

- _ Chỗi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cô góp

- Cô góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguôn điện cho các cuộn dây trên rotor Sô lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với sô cuộn dây trên rotor

Cực từ chính

Dây quấn cực từ chính Dây quấn cực từ phụ

Cực từ phụ

Lõi sat

Gong từ Dây quấn phần ứng

Hình 1 1: Cấu tạo chính động cơ điện một chiều Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thê chia động cơ điện 1 chiều thành

những dòng chính như sau:

- _ Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

- _ Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện ] chiều kích từ nỗi tiếp

- _ Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

- Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần ứng

¢ Neuyén ly hoạt động:

Stato cua động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện I chiều chính là bộ

phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đôi chiều dòng điện trong chuyên động

quay của rotor là liên tục Thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ

cô góp và một bộ chôi than tiệp xúc với cô eóp

II

sẽ đây nhau tạo ra chuyền động quay của rotor trường giữa siaLor vả rotor cùng dầu, trở lại pha 1

Hinh 1 2: Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều

Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát

ra một điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động

đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện

động này sẽ tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phân: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng Dòng điện chạy qua động cơ sẽ được tính theo công thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:

P=l * V phandiendong

¢ Uu, nhuoc diém va ứng dụng của động cơ điện 1 chiều:

- Uu diém:

+ Moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động

+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt

+ Tiết kiệm điện năng

+ Bên bị, tuổi thọ lớn

12

- Nhược điểm:

+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trinh vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cân thận, thường xuyên

+ Tia lửa điện phát sinh trên cô góp và chối than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất

la trong điều kiện môi trường dễ cháy nỗ

+ Giá thành đắt mà công suất không cao

Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của đời sống: trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ỗ đĩa DC, máy in- photo, đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lon

b) Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều?

- _ Điều khiến tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách sử dụng điện trở:

Đây được xem là phương pháp đơn giản nhất giúp chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ điện 1 chiều Chỉ cần mắc nỗi tiếp điện trở vào phần ứng, độ dốc của đường đặc tính sẽ giảm, số vòng quay giảm và tốc độ sẽ chậm đi tương ứng

- _ Điều khiến tốc độ của động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển từ thông:

Điều chỉnh từ thông hay còn được gọi là điều chỉnh momen điện từ và sức điện động của động cơ Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, trên thực tế, phương pháp này ít được sử dụng vỉ khá khó đề thực hiện

eg

BS SS

Hinh 1 3: Phuong phap diéu khién tốc độ độn cơ điện một chiều

- Dieu khién toc độ của động cơ điện 1 chiêu băng cách diéu khiến điện ap phan ứng:

Chúng ta có thể lựa chọn điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động

cơ hoặc điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ Khi thay đôi điện áp của phần ứng thi tốc độ quay của động cơ cũng thay đổi tương ứng

1- Cỗ góp điện 5- Cuộn dây kích từ

4- Cực từ

Hinh 1 4: Các bộ phận của động cơ điện 1 chiều

Phương pháp điều khiến động cơ điện 1 chiều không hề phức tạp Chỉ cần tuân

thủ nguyên tắc hoạt động cũng như trang bị một số kiến thức, kỹ năng nhất định là bạn hoàn toàn có thể điều khiến loại động cơ này một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất

1.2 Phương pháp điều khiến tốc độ bằng xung PWM

PWM viết tắt của Pulse Width Modulation, có nghĩa là phương pháp điều chỉnh

điện áp tải, hay hiểu đơn giản hơn đây là phương pháp điều chỉnh, thay đôi điện áp tải ra bằng việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, từ đó có sự thay đổi điện

áp

® - Tại sao nên dùng PWM;

Dùng PWM để điều chỉnh cường độ dòng điện sẽ hiệu quả hơn và cũng tiết kiệm hơn Các phương pháp điều chỉnh dòng điện khác rất tốn kém và phức tạp

® - Nguyên lý hoạt dộng:

PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu kỳ của nguồn của tải Khi van G mở, toàn bộ điện áp được dùng cho tải Khi van đóng, tải bị cắt nguồn

điện áp

Vì vậy, trong suốt chu kỳ đóng mở van G nảy, tải sẽ có lúc nhận được toản

bộ nguồn điện áp, có lúc nhận được một phần và cũng có lúc hoàn toàn không nhận được gi

Ua = Unmax.( /T) (V) hay Us = Umax-D

Vị dụ: Trong đó: D = t/T - đây là hệ số điều chỉnh PWM, tính bằng %:

Ua = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

Ua = 12.40% = 4.8V (Voi D = 40%)

Ua = 12.90% = 10.8V (Voi D = 90%)

e Ung dung PWM trong cudc song:

PWM được ứng dụng vào trong các mô hình điều khiến, anh em sẽ thường gap nhat là trong các bộ động cơ, xung áp, điều áp

Ngoài ra, PWMI được sử dụng nhiều trong đèn LED, và đèn LED thì được sử dụng nhiều cho các loại ô tô Nếu đèn LED là đèn phanh và sử dụng PWM có tần số

thấp thì nó sẽ chiếu ánh sáng khá mạnh và nhấp nháy, đễ khiến người lái xe ở phía

sau bị choáng, không nhìn rõ đường đi Vì vậy, nên dùng PWM có tần số cao để

đảm bảo an toàn khi lưu thông