Điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Cấu tạo Op-Amp Op-Amps lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ Hình 2: Cấu tạo của Op-Amp Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai Differential Amplifier, nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Op-Amp và 1 số mạch ứng dụng

Mạch khuếch đại thuật toán ( operational amplifier), thường được gọi tắt

là Op-Amp là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch

đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng

Ký hiệu

Ký hiệu trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán như sau:

Hình 1: Ký hiệu của Op-Amp Trong đó:

− V+: Đầu vào không đảo

− V−: Đầu vào đảo

− Vout: Đầu ra

− VS+: Nguồn cung cấp điện dương

− VS−: Nguồn cung cấp điện âm

Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác nhau Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ Thông thường những chân này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho bản vẽ được rõ ràng Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ phần cấp nguồn này Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán chuyển cho nhau khi cần thiết Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo ngược lại

1.1.1 Cấu tạo Op-Amp

Op-Amps lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ

Hình 2: Cấu tạo của Op-Amp

Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ

khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v- Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn

Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai

mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra

Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra

tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau

1.1.2.Nguyên lý làm việc của Op-Amp

Dựa vào ký hiệu của Op-Amps ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra Vo theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:

− Đưa tín hiệu vào ngõ vào đảo, ngõ vào không đảo nối mass: Vout =

Hình 3: Đặc tuyến của Op-Amp Trên đặc tính thể hiện rõ 3 vùng:

− Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra Vo tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất

bé

− Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở +Vcc

− Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -Vcc

1.1.3 Các dạng mạch cơ bản của Op-Amp

− Mạch khuếch đại đảo

Tín hiệu ngõ ra đảo pha so với tín hiệu ngõ vào

Hình 4: Mạch khuếch đại đảo của Op-Amp

− Mạch khuếch đại không đảo

Hình 5: Mạch khuếch đại không đảo của Op-Amp Mạch theo điện áp

Mạch này không khuếch đại điện áp, chỉ khuếch đại dòng

Hình 6: Mạch khuếch đại điện áp của Op-Amp

− Mạch cộng đảo

Tín hiệu ngõ ra là tổng giữa các thành phần ngõ vào nhưng trái dấu

Hình 7: Mạch cộng đảo của Op-Amp

− Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ)

Mạch chỉ khuếch đại khi giữa hai tín hiệu ngõ vào có sự sai lệch về điện áp

Hình 8: Mạch khuếch đại vi sai của Op-Amp

− Mạch tích phân

Tín hiệu ngõ ra là tích phân tín hiệu ngõ vào

Hình 9: Mạch tích phân của Op-Amp

− Mạch vi phân

Tín hiệu ngõ ra là vi phân tín hiệu ngõ vào

Hình 10: Mạch vi phân của Op-Amp

1.2.1.Cấu tạo và ký hiệu của Mosfet

Hình 13: Ký hiệu và sơ đồ chân tương đương giữa Mosfet và Transistor

Cấu tạo của Mosfet

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

G : Gate gọi là cực cổng

S : Source gọi là cực nguồn

D : Drain gọi là cực máng

Hình 14: Cấu tạo của Mosfet

Mosfet kện N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P-N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G 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 RDScàng nhỏ

1.2.2.Nguyên lý làm việc của Mosfet

1.3.Cảm biến nhiệt độ

Ic đo nhiệt độ là 1 mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độchuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hay điện áp Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo Sự tác động của nhiệt

độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong bán dẫn Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống Làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ 2.1 Phương án thiết kế

Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung:

Mạch điều khiển động cơ một chiều bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWm circuit – Pulse Wide Modulation) hoạt động theo nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh Nguồn DC được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông Tín hiệu xung vuông này được cấp cho động

cơ Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn động cơ sẽ chạy với tốc độ đều đặn phụ thuộc vào momen của trục quay

Với phương pháp PWM, điều chỉnh tốc độ của động cơ thông qua việc điều chế đọ rộng xung , tức là thời gian “đầy xung” (“on”) của chuỗi xung vuông cấp cho động cơ Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho động cơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của động cơ cần điều khiển

Hình 16: Biểu diển sự phụ thuộc tốc độ động cơ vào độ rộng xung

Như hình trên, với dãy xung điều kiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên động cơ chạy chậm Nếu độ rộng xung ON càng lớn ( như dãy xung thứ 2

và thứ 3) động cơ DC chạy càng nhanh

2.1.3 Lựa chon thiết bị

Để đáp ứng yêu cầu điều khiển động cơ một chiều theo nhiệt độ bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung, dùng làm quạt giải nhiệt cho máy tính để bàn Em lựa chọn thiết bị như sau:

9 Mosfet IRF520 kênh N

Với VDSS có thể lên đến 100V, giá trị điện trở RDS khi

mosfet dẫn khoảng 0.3 ohm, chịu dòng 8A

Hình 17: Hình dạng của Mosfet IRF520 kênh N

DC, dòng của tất cả Op-Amp thông thường Ngày nay vùng ứng dụng có thể thực thi một cách dễ dàng với hệ thống cung cấp nguồn đơn

Dòng điện mang cung cấp rất thấp 700µA

Điện áp bù đầu vào thấp 2mV

Và dòng bù 5nA

Vi sai điện áp đầu vào có độ rộng bằng với điện áp cung cấp

Tham chiếu đầu vào nối đất

Phạm vi điện áp ra lớn: 0V đến V -1.5 DC

9 IC LM358

Hình dạng thực tế và sơ đồ chân

Hình 19: Hình dạng thực tế và sơ đồ chân của IC LM358

Lm358 gồm 2 Op-Amp độc lập, độ khuếch đại cao, tần số dao động bên trong được thiết kế riêng biệt để có thể hoạt động bằng nguồn cung cấp đơn của toàn bộ độ rộng của dãi điện áp Vùng ứng dụng bao gồm: bộ biến đổi khuếch đại, khối khuếch đại

DC, dòng của tất cả Op-Amp thông thường Ngày nay vùng ứng dụng có thể thực thi một cách dễ dàng với hệ thống cung cấp nguồn đơn

Đặc điểm:

Độ tăng ích điện áp DC lớn: 100dB

Tần số nội bù cho đơn vị khuếch đại

Dãi điện áp cung cấp rộng: 3V-32V ( hoặc +_ 1.5V-16V)

Tham chiếu đầu vào nối đất

Vout: điện áp ngõ ra

Gnd: chân nối mass

9 Quạt giải nhiệt ART 80mm, điện áp làm việc 12V, dòng tiêu thụ 0.14A

2.1.4 Lưu đồ

Hình 21: Lưu đồ

2.2.Thiết kế

2.2.1.Khối tạo xung tam giác

Ta xem mạch tích phân sau đây

Hình 22: Mạch tích phân tạo xung tam giác Giả sử ở thời điểm t = 0, SW ở vị trí 1 (Ei = 15v) dòng điện qua R là

R

Vs Ei

Dòng điện này sẽ nạp vào tụ C để tạo ra Vo(giảm dần)

Khối tạo xung

tam giác

Khối cảm

biến

Khối khuếch đại

Khối so sánh Khối điều khiển

Tải

Vo Vs C

R

Vs Ei dt

dVc R

Vs Ei dt

dVc C

Vs Ei

Ei Vs Vo

t

Vs Vo C

R

Ei Vs dt

dVc dt

dVc C R

Ei Vs I

Hình 23: Hình dạng xung vào và xung ra của mạch tích phân

Ðể tự động bộ giao hoán và tạo dòng hằng cho tụ điện của mạch tích phân, người ta có thể dùng một mạch so sánh và mạch tích phân ghép với nhau; xong lấy ngõ ra của mạch tích phân làm điện thế điều khiển cho mạch so sánh Toàn bộ mạch có dạng như hình dưới

Hình 24: Mạch tạo xung tam giác

Ðể phân giải mạch ta chú ý là khi ngõ ra của mạch so sánh bảo hòa dương (+VSAT) thì v0 = VZ + 0.7v = V0 > 0 Còn khi bảo hòa âm v0= -(VZ+0.7v) = -V0

< 0

Ta có

2 1

2

1 1

1 2

1 1

1

R

t V R

Vo R

V R

V R

t V V R

V

( ) t V R R

R Vo

R R

R

+ +

⋅ +

=

⇒

2 1

1 2

1

2 1

V(t) = Vmax = VUTP khi V1 = Vr và Vo = -Vo = -(VZ + VD)

max 2

1

1 2

1

2

V R R

R Vo

R R

R

+ +

⋅ +

−

=

⇒

Vo R

R Vr R

R R

⇒

1

2 1

2 1 max

Tương tự V(t) = Vmin = VLTP khi V1 = Vr và V0 = +Vo = +(VZ+VD)

Vo R

R Vr R

R R

⇒

1

2 1

2 1 min

Điện thế đỉnh – đỉnh của tam giác

Vo R

R V

1

2 2 min max

Chú ý nếu Vr = 0 thì Vmax = -Vmin

V V

RC

Vo dt

t dV R

Vo

1

22

minmax

1

R

R RC RC

Vo

V V

T

V V

RC

Vo dt

t dV R

Vo

1

22

minmax

2

R

R RC RC

Vo

V V

21

R

R RC T

T

R T

f

2 4

R Vo T

T

V V

RC

Vs Vo dt

t dV R

Vs Vo

11

minmax

Khi Vo = +Vo (đường giảm) thì ta có

Vs Vo R

R Vo T

T

V V

RC

Vs Vo dt

t dV R

Vs Vo

22

minmax

1

24

21

Vs Vo

Vo R

R RC T

T T

4

1 1

Vo

Vs RC

R

R T

f

Khối tạo xung tam giác trong mạch có sơ đồ như hình dưới

Hình 25: Sơ đồ khối tạo xung tam giác

Để tạo xung tam giác có tần số 400HZ, chọn R1 = R2 = R3 = R4 = 100k, R5 =47k, C1= 0.01uF, mạch đươc cấp nguồ đơn +12V

V R

R

R Vcc

200

1001221

2

=

⋅

=++

3

Vo

Vs C

R R

R f

HZ HZ

f

f

400 9

398

75 0 10 01 0 47 4

1 12

6 1 10 01 0 10 100 10 47 4

10 100

3 6

3 3

R R

100

47 6 100

147 3

5 3

5 3 max = + ⋅ + ⋅ − = ⋅ + ⋅ =

⇒

R

R Vr R

R R

100

47 6 100

147 3

5 3

5 3

⇒

Điện thế đỉnh – đỉnh của tam giác

V V

V max− min = 8.82 −3.18 = 5.64

2.2.2.Khối khuyếch đại áp từ cảm biến nhiệt

Hình 26: Sơ đồ khối khuếch đại điện áp Giả sử áp tại chân 7 là VL, áp tại chân 1 là VIN

+

=+

76

7

R R

10

RV R

R

Đối với Op-Amp lý tưởng thì V+=V-

⋅+

⇒

76

7

R R

10

RV R

7

R

RV R

R R

R

VL Chọn R6=R7=R10=1k, RV1=50K

vd : ở nhiệt độ 30 oC, ta có VL = 0.3 V,

VIN-MAX khi VR1=50k ⇒VIN-MAX 0.3 7.65V

1

512

Xung tam giác sẽ được đưa vào ngõ vào đảo (chân số 6), VIN sẽ được đưa vào ngõ vào không đảo (chân số 5) của LM324

Tại ngõ ra (chân số 7) sẽ là sóng vuông có Ton và Toff thay đội theo nhiệt

độ Nhiệt độ càng cao, thời gian Ton càng lớn và ngược lại

2.2.4.Khối điều khiển

Hình 28: Sơ đồ khối điều khiển Làm nhiệm vụ điều khiển động cơ DC ở đây là Mosfet IRF520, Mosfet IRF520 đóng vai trò như 1 công tắc bán dẫn, khi UGS>0 thì có dòng chạy từ +VCC qua động cơ DC về Mass Kết quả làm cho động cơ chạy.Khi UGS =0 thì không có dòng chạy từ +VCC qua động cơ về Mass Kết quả động cơ không chạy

Động cơ quay nhanh hay chậm phụ thuộc vào thời gian Ton dài hay ngắn điều chế được từ khối so sánh

2.2.5.Nguyên lý hoạt động của mạch

Nhiệt độ mội trường sẽ được ic cảm biến chuyển thành tín hiệu điện áp tương ứng, tín hiệu điện áp này được khuyếch đại lên khoảng 16 đến 17 lần sau đó được đưa đến khối so sánh để so sánh với xung tam giác.từ đó ta sẽ điều chế được 1 xung vuông có Ton và Toff thay đổi theo nhiệt độ.xung vuông này sẽ được đưa đến mosfet (mosfet ở đây làm nhiêm vụ như 1 công tắc bán dẫn) để điều khiển động cơ

DC

Hình 29: Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ một chiều theo nhiệt độ

Quá trình thi công:

• Phân tích sơ đồ nguyên lý

• Tiến hành gia công mạch

• Lắp rắp và kiểm tra hoạt động của mạch

CHƯƠNG III: KẾT LUẬN

− Tìm hiểu hơn về tính chất điều khiển của IC khác có tính ứng dụng cao

và gọn nhẹ , ít tổn hao năng lượng nguồn cung cấp

− Nghiên cứu tìm hiểu nhiều hơn về Op-Amp (khối tạo xung tam giác) để việc điều khiển tốc tốc độ động cơ DC được chi tiết hơn

Danh sách tài liệu tham khảo

1 Giáo trình kỹ thuật điện tử - nhà xuất bản giáo dục

2 www.wikipedia.com (Op-Amp)

3 www.scribd.com (chương 10 mạch dao động)

4 http://www.solorb.com/elect/pwm/ (speed motor controller)

5 www.nguyenvanbientbd47.110mb.com (Mosfet)