TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT & TRUYỀN THÔNGKHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA BÀI BÀI CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRONG CÔNG NGHIỆP Đề tài: Thiết kế mạch băm xung một chiều có đảo chiều để điề
KIẾN THỨC TỔNG QUÁT
Giới thiệuchung về bô i băm xung áp mô it chiều
Hình 14: Sơ đồ mạch động lực.
Sơ đồ mạch lực như sau:
Chức năng từng phần tử trong mạch:
- Nguồn V: điện áp một chiều cung cấp cho động cơ.
- Diot: bảo vện điện áp ngược đặt lên 2 đầu của van IGBT
2.2 Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch a) Tính toán động cơ:
Thông số động cơ: P=9,6W, UdmV, Idm= 0,8A, Ikt=0.5A, ndm00v/p
- Tốc độ định mức của động cơ:
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Thiết kế mạch lực
Hình 14: Sơ đồ mạch động lực.
Sơ đồ mạch lực như sau:
Chức năng từng phần tử trong mạch:
- Nguồn V: điện áp một chiều cung cấp cho động cơ.
- Diot: bảo vện điện áp ngược đặt lên 2 đầu của van IGBT
Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch
Thông số động cơ: P=9,6W, UdmV, Idm= 0,8A, Ikt=0.5A, ndm00v/p
- Tốc độ định mức của động cơ:
E ư =U đm −R ư ∗I đm −1∗0.8 11,2 = (v) b) Lựa chọn Diot:
Khi lựa chọn diot công suất, cần xem xét các yếu tố cơ bản như dòng tải, sơ đồ mạch, điều kiện tản nhiệt và điện áp làm việc Các thông số chính của diot được tính toán bằng cách bỏ qua sự sụt áp trên các van.
+ Dòng điện trung bình chạy qua Diode ID= (1- γ).It Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =1,8(A)
Khi chọn chế độ làm mát, cần sử dụng van có cánh tỏa nhiệt với diện tích bề mặt đủ lớn và quạt thông gió, cho phép dòng điện làm việc qua van đạt tới 50% Idm Dòng điện qua van cần được tính toán theo công thức Iđmv = ki Imax = 1,8/0.5 = 3,6(A) Theo các biểu đồ, điện áp ngược cực đại áp dụng cho mỗi Diode, khi bỏ qua sụt áp trên các van, được xác định là U ngcmax = E(V).
Chọn hệ số quá điện áp: K u =2nên
Ungcv=Ku.Ungcmax=2∗12 24= (V ). c) Lựa chọn van IGBT
Xuất phát từ yêu cầu về công nghệ ta phải chọn van bán dẫn là loại van điều khiển hoàn toàn là IGBT.
+ Tính dòng trung bình chạy qua van: Qua phân tích các mạch lực trên ta thấy: Dũng điện trung bỡnh chạy qua van là: IS = γ It
Với giá trị dòng điện định mức động cơ là Itđm =1,8(A)
Chọn chế độ làm mát với van có cánh tỏa nhiệt lớn và đủ diện tích bề mặt, cùng với quạt thông gió, giúp dòng điện làm việc cho phép chạy qua van lên tới 50.
Khi chọn van, dòng điện qua van cần được tính toán bằng công thức Iđmv = ki Imax / 0.56 (A) Các biểu đồ cho thấy điện áp ngược cực đại áp dụng lên mỗi diode, khi không tính đến sụt áp trên các van, là Ungmax = E$ (V).
Chọn hệ số quá điện áp: ku=2 nên
Ungv=ku.Ungmax=2∗12 24 = (V) Lựa chọn mosfet: IRF1404
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển
Sơ đồ khối mạch điều khiển:
Hình 15: Sơ đồ khối mạch điều khiển
Chức năng của từng khâu
a) Khâu tạo dao động và khâu tạo điện áp tam giác.
Người ta thường dùng khuếch đại thuật toán để tạo ra xung chữ nhật và xung giác.
Hình 16: Ghép nối khếch đại thuật toán
Khi kết nối mạch Trigger Smith với mạch tích phân có phản hồi, sẽ tạo ra dao động với tín hiệu đầu ra là xung chữ nhật từ mạch Trigger Smith và xung tam giác từ OA2 Điện áp dao động sẽ bao gồm cả dạng hình chữ nhật và điện áp răng cưa.
Hình 17: Xung của khuếch đại thuật toán
Hình 16 cho thấy thời gian nạp và phóng điện là như nhau, với hằng số thời gian RC không đổi Điều này dẫn đến điện áp cuối của quá trình nạp và phóng có độ lớn tương đương, tạo ra xung ra có tính đối xứng.
T =t 1+t 2=2 t 1=4 RC(1/ R 2) Hay tần số xung
Tần số dao động phụ thuộc vào tần số băm xung của mạch lực, có thể từ vài trăm Hz đến vài chục KHz (thường lấy chuẩn là 400 Hz).
Giá trị của tụ C1 thường được xác định dựa trên tần số hoạt động, với tần số vài trăm Hz thì giá trị khoảng 0,1 uF, trong khi khi tần số tăng lên vài chục KHz, giá trị của tụ C1 sẽ giảm đáng kể.
Khâu so sánh sử dụng mạch so sánh hai cửa để đối chiếu hai tín hiệu U và U, nhằm xác định thời điểm mở van IGBT Hai tín hiệu U được đưa đến hai cực khác nhau của mạch RC, quyết định quá trình điều khiển.
OA. Điện áp ra tuân theo quy luật: Ura = Ko (U – U ) + –
Hệ số khuếch đại của OA được ký hiệu là Ko, và điện áp ra sẽ xuất hiện sườn xung âm hoặc dương khi điện áp răng cưa và điều khiển được đưa vào các đầu vào của OA Trong trường hợp này, chúng ta đưa điện áp U vào đầu âm của OA.
Uđk vào đầu dương (hình vẽ)
Khi đó điện áp ra là: Ura = Ko (Uđk – Urc) Điểm lật trạng thái ứng với U = U RC đk
+ Khi U > U thì ΔU = U – U < 0 => Uss = âm điện áp bão hoà.RC đk đk RC
+ Khi U < U thì ΔU > 0 => Uss = dương điện áp bão hoà.RC đk
Để có hiện tượng thay đổi trạng thái đầu ra, các điện áp đưa vào so sánh cần phải cùng dấu Đồng thời, độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trạng thái trong quá trình làm việc không được vượt quá giới hạn cho phép của loại OA đã chọn.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ cho phép điều chỉnh điện áp đầu vào Uđk, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra Uss1 và điều chỉnh độ rộng xung Quá trình này giúp kiểm soát điện áp cung cấp cho tải Bên cạnh đó, khâu xử lý tín hiệu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Tín hiệu USS1 từ bộ so sánh được đưa vào khâu xử lý tín hiệu để trở thành
Hai tín hiệu USS1 và USS2 sẽ được đưa vào bộ lôgic phân xung để điều khiển các van IGBT Trong khâu xử lý tín hiệu, một phần tử NAND sẽ quyết định trạng thái ra của USS2 thông qua tín hiệu vào EN, cho phép điều chỉnh tín hiệu ra Tín hiệu EN sẽ xác định thời điểm cần đổi dấu của USS1 hoặc giữ nguyên Phần tử NAND có thể được chọn từ vi mạch CMOS 74Cxx.
Là yếu tố then chốt trong việc điều chỉnh xung cung cấp cho các IGBT, khâu này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát việc mở và đóng các van, từ đó tạo ra các chế độ quay thuận và quay nghịch cho động cơ.
Ta lập bảng trạng thái sau:
Từ bảng trạng thái trên, ta dùng một bộ NAND họ CMOS GD75188 dùng 4 phần tử NAND Sơ đồ tổng hợp của mạch logic phân xung:
Do các OA sử dụng nguồn nuôi hai cực tính, dẫn đến sự xuất hiện của các xung âm Để ngăn chặn các xung âm này từ đầu ra của bộ so sánh và bộ đảo dấu, cần sử dụng các diode.
Tính toán mạch điều khiển
a) Khâu tạo dao đô Png và khâu tạo răng cưa.
Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại TL084 Với điện áp cung cấp là ± 12V.
Chu kỳ dao động: T =4 RC R 1 R 2
Chọn tần số băm xung f = 400 Hz
Điện áp ra từ khâu tạo dao động và tạo răng cưa có dạng răng cưa, với điện áp đỉnh tương đương điện áp bão hoà của IC Khi nguồn cấp cho OA là 12V, điện áp bão hoà của IC dao động khoảng 80% đến 90%, tức là khoảng 10V Do đó, cần tính toán và chọn giá trị cho R1 và R2.
R, C để điện áp ra max của điện áp răng cưa là 10V Khi đó ta có: b) Khâu so sánh.
Khuếch đại thuật toán khâu so sánh cho phép điện áp răng cưa đạt giá trị tối đa 10V Sau khi điện áp này được tạo ra từ khâu tạo dao động, nó sẽ được đưa vào khâu so sánh để so sánh với điện áp tham chiếu.
Để tạo ra điện áp Uss1, cần sử dụng điện áp điều khiển vào khâu so sánh, với giá trị điều chỉnh trong khoảng từ -10V đến +10V Khâu xử lý tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Khâu xử lý tín hiệu sử dụng một phần tử NAND để đảo dấu tín hiệu USS1 thành USS2 Phần tử NAND có thể là vi mạch thuộc họ CMOS 74Cxx Tín hiệu vào EN được cung cấp từ bên ngoài, dựa trên thông tin thu thập từ khâu phản hồi.
EN dùng để điều khiển lúc nào thì cần đổi dấu của USS1 lúc nào thì giữ nguyên quy tắc điều khiển của EN:
Mức 1, 0 thể hiện ở giá điện áp vào tương ứng ở mức cao, thấp.
Khi EN = 1: Khâu có 2 tín hiệu ra trái dấu nhau: USS1 và USS2 = - USS1
Khi EN = 0: Khâu có 2 tín hiệu ra bằng nhau: USS1 và USS2 = USS1
Nói cách khác: tín hiệu EN sử dụng khi cần cho động cơ hãm và khi đó EN = 0. d) Khâu lôgic phân xung.
Khâu logic phân xung sử dụng tín hiệu USS1 và USS2 đã được xử lý để tạo ra tín hiệu đầu vào Thiết bị này bao gồm một IC GD75188 thuộc họ CMOS, được cấu tạo từ 4 phần tử NAND như hình vẽ bên.
Thông số: Điện áp cung cấp: ± 12V
Dải nhiệt độ làm việc 0 đến 75 o
Công suất tiêu thụ ở 25 C với điện áp cung cấp ± 12V là 576 mW o Điện áp vào nhỏ nhất ở mức cao là 1,9 V Điện áp vào lớn nhất ở mức thấp là 0,8 V
Dòng vào ở mức cao là 10 uA
Dòng vào ở mức thấp là - 1,6 mA
Chọn 2 Diode loại D10D1 để làm nhiệm vụ chặn các xung âm Các điện trở R7 đến R12 trong mạch chọn khoảng 10 kΩ Sơ đồ tổng hợp của khâu lôgic phân xung như sau:
Bảng trạng thái thể hiện quy luật điều khiển không đối xứng như sau:
Cần lưu ý không để cả hai chế độ USS1 và USS2 có giá trị 0, vì điều này có thể dẫn đến hiện tượng ngắn mạch, gây cháy hỏng hoặc chập mạch Tuy nhiên, nhờ vào quy luật điều chỉnh tín hiệu EN trong quá trình xử lý tín hiệu, khả năng xảy ra trường hợp cả USS1 và USS2 đều bằng 0 là rất thấp Đồng thời, việc tính toán điện áp điều khiển cũng cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Quy luật điều khiển không đối xứng cho phép động cơ quay theo hai chiều khác nhau thông qua việc thay đổi cách điều khiển các van IGBT Tín hiệu USS1 và USS2 được tạo ra và điều chỉnh từ khâu xử lý tín hiệu và khâu so sánh, trong đó USS1 được điều chỉnh thông qua Uđk đã tính toán trước Việc điều chỉnh Uđk ảnh hưởng đến giá trị của USS1 và USS2, từ đó điều khiển chế độ làm việc của các van IGBT theo quy luật lôgic Tín hiệu EN trong khâu xử lý tín hiệu xác định chế độ làm việc của động cơ, bao gồm chiều quay thuận, chiều quay nghịch hoặc hãm.
Việc điều chỉnh Uss1 và Uss2 thông qua Uđk có nghĩa là điều chỉnh giá trị γ Điện áp áp dụng lên phần ứng của động cơ tỷ lệ thuận với γ, do đó, việc điều chỉnh γ sẽ giúp điều chỉnh điện áp này, từ đó kiểm soát được tốc độ của động cơ.
Để điều chỉnh chế độ làm việc của động cơ, cần điều chỉnh điện áp Uđk và tín hiệu EN từ khâu phản hồi tốc độ Với từng chế độ quay thuận và quay ngược, dải điều chỉnh tốc độ đạt tỷ lệ 3:1.
Tín hiệu EN luôn ở mức cao (+12V) khi động cơ làm việc ở chế độ thuận và nghịch và tín hiệu EN ở mức thấp (0V) khi động cơ ở chế độ hãm
Xét chế đô P quay thuận (Uss1 =1; USS2 = 0)
Van S1 và S4 làm việc ngược nhau, van S2 luôn mở, van S3 luôn khoá. Theo phần lý thuyết
Ta có: Ut = γU mà γ có giá trị từ 0 đến 1.
Khi γ = 1, điện áp tối đa được áp dụng cho động cơ đạt giá trị U t = U = U đm V, tương ứng với tốc độ lớn nhất ωmax Dải điều chỉnh tốc độ của động cơ là 3:1, do đó, dải điều chỉnh điện áp ra tải tương ứng cũng là 3:1 Tốc độ tối thiểu ωmin sẽ tương ứng với điện áp đặt lên phần ứng động cơ ở mức nhỏ nhất.
3 ⟹γ =0,333 Như vậy dải điều chỉnh của γ là γ = 0,333 đến 1
T = 1⇒T 2,5 ms = (giátrịtạo thànhở khâutạo daođộng ).
Khi Uđk lớn hơn URC, tín hiệu USS đạt giá trị tối đa, tạo ra thời gian lớn cho động cơ quay theo hướng thuận Điều này xảy ra khi t omax bằng T, tức là Uđk đạt giá trị lớn nhất, tương ứng với đỉnh trên của xung răng cưa là +10V.
Vậy Uđkmax = 12V cho điện áp phần ứng lớn nhất do đó tốc độ của động cơ lớn nhất.
Tốc độ động cơ có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp U trong khoảng từ 3.33V đến 10V, với tỷ lệ điều chỉnh tốc độ đạt 3:1 Khi U bằng 0,333.10^3,33 V, động cơ sẽ hoạt động ở tốc độ nhỏ nhất.
Xét chế đô P quay ngược (Uss1 = 0; USS2 = 1)
Van S3 và S2 làm việc ngược nhau, van S4 luôn mở, van S1 luôn khoá. Theo phần lý thuyết
Ta có: U = t γ U mà γ có giá trị từ 0 đến 1.
Khi γ = 1, điện áp đặt lên động cơ có giá trị lớn nhất Ta có
Điện áp U t = U = U dm = -12 V tương ứng với tốc độ lớn nhất ωmax, khi đó điện áp đặt lên động cơ ngược với chiều điện áp cung cấp Với dải điều chỉnh tốc độ của động cơ là 3:1, dải điều chỉnh điện áp ra tải tương ứng của động cơ cũng sẽ được xác định.
3 :1 Khi đó, tốc độ ωmin sẽ tương ứng với điện áp đặt lên phần ứng động cơ là nhỏ nhất.
3 ⟹γ =0,333 Như vậy dải điều chỉnh của γ là γ = -1 đến -0,333
T = 1⇒T 2,5 ms = (giátrịtạo thànhở khâutạo daođộng ).
Khi U nhỏ hơn U, tín hiệu USS sẽ bằng 0, dẫn đến việc hình thành điều kiện RC với thời gian lớn cho động cơ quay ngược Do đó, khi tomax bằng T, giá trị U đạt mức tối thiểu, tương ứng với giá trị đỉnh dưới của xung răng cưa là -10V.
Vậy Uđkmin = - 10V cho điện áp phần ứng lớn nhất do đó tốc độ của động cơ lớn nhất theo chiều ngược.
T U RC =− 0,333.10 =− 3,33 V khi đótốc độđộngcơ nhỏnhất theochiều ngược.
Như vậy bằng cách thay đổi Udk trong khoảng -10(V) đến -3.33(V) ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ ở chế độ ngược trong dải điều chỉnh là 3 :1.
THIẾT KẾ MẠCH HOÀN CHỈNH
Mạch thiết kế hoàn chỉnh
Sử dụng loại động cơ một chiều có sẵn ngoài thị trường.Thông số: 12V/ 80mA b Phần mạch
Mạch hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu, nhưng điện áp đầu ra trên động cơ vẫn còn chênh lệch đáng kể Nguyên nhân chủ yếu là do chất lượng linh kiện và sự tiếp xúc không tốt giữa các linh kiện, dây dẫn và mối hàn.