Đồ-án

ĐỒ ÁN MƠN HỌC MỤC LỤC Lời Nói Đầu Ngày công nghệ khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển Trong ngành kỹ thuật điện tử đạt nhiều thành tựu to lớn sống người Hịa với phát triển ngành công nghệ kỹ thuật điện tử có bước phát triển vượt bậc Hiện máy móc dần thay người làm việc để làm việc động điện quan trọng việc truyền động cho cấu đó.Gắn liền với việc sử dụng động trình điều khiển tốc độ động cho phù hơp với yêu cầu thực tế đảo chiều động Để đáp ứng yêu cầu nhóm chúng em thực đề tài “Thiết kế mạch cầu H điều khiển động dùng MOSFET Sau thời gian thiết kế, chế tạo hoàn thiện đề tài nghiên cứu với cố gắng thành viên nhóm với giúp đỡ, bảo tận tình thầy Bùi Trung Thành thầy cô giáo khoa đóng góp ý bạn sinh viên chúng em hoàn thành đề tài Do cịn kinh nghiệm kiến thức hạn hẹp nên đề tài tránh khỏi sai sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn sinh viên để hoàn thiện đề tài tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn ! GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MÔN HỌC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………… ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………… ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Hưng Yên, ngày tháng năm 2016 GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Giới thiệu chung động điện chiều Như ta biết máy phát điện chiều dùng làm máy phát điện động điện Động điện chiều thiết bị quay biến đổi điện thành Nguyên lý làm việc dựa tượng cảm ứng điện từ Động điện chiều sử dụng rộng rãi công nghiệp giao thông vận tải 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều Gồm phần chính: Phần tĩnh (stato) phần động (rôto) Phần tĩnh (stato) Cực từ : Là phần sinh từ trường động bao gồm: Lõi cực từ : làm thép khối dẫn từ chiều Tuy nhiên để giảm kích thước, ngày làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 ÷ 1mm ép lại tán chặt Hình 1.1 Cực từ Dây quấn cực từ chính: Được làm dây dẫn trịn có bọc cách điện dây dẫn tiết diện chữ nhật quấn định hình lồng vào thân cực từ Các dây quấn kích thích đặt cực từ thường nối nối tiếp với Cực từ phụ: Cực từ phụ bố trí xen kẽ với cực từ để cải thiện đổi chiều Lõi cực từ phụ : làm thép khối Dây quấn cực từ phụ: đặt cực từ phụ nối nối tiếp với dây quấn phần ứng qua chổi than GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MƠN HỌC Gơng từ: Làm mạch dẫn từ, nối liền cực từ phụ, đồng thời làm vỏ máy Máy nhỏ vừa gông từ làm thép tấm, máy lớn làm thép đúc Các phận khác: Nắp máy: che chắn bảo vệ khỏi vật rơi vào máy làm giá đỡ ổ bi Cơ cấu chổi than: đưa dòng điện từ phần quay Hộp chổi than chổi than cố định nắp máy Phần quay (Roto) Lõi thép phần ứng Hình 1.2: Lá thép phần ứng Đây phận dẫn từ xoay chiều, nên làm thép kỹ thuật điện, dày 0,350,5mm Trên lõi thép có dập rãnh để bố trí dây quấn phần ứng Máy nhỏ vừa có lỗ thơng gió hướng trục, máy lớn cịn có kênh thơng gió hướng kính Hình 1.3: Phiến góp cổ góp Dây quấn phần ứng: Đây phận tham gia trực tiếp trình biến đổi lượng điện từ, phận sinh suất điện động có dịng điện chạy qua Nó phân bố rãnh lõi thép phần ứng Cổ góp: Đây phận để đổi chiều dịng điện hay coi chỉnh lưu khí GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MƠN HỌC Cổ góp bao gồm phiến góp làm đồng, ghép ép lại thành cổ góp hình trụ Giữa phiến góp có lớp cách điện mica dày 0,4 - 1,2 mm Các phận khác: Trục máy: có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi Trục máy thường làm thép cacbon tốt Quạt gió: dùng để quạt gió làm nguội máy Cánh quạt nắp trục máy 1.1.3 Nguyên lý làm việc động điện chiều Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc động điện chiều Một khung dây abcd hai đầu nối với phiến góp, đặt từ trường nam châm vĩnh cửu N-S, hai chổi điện A B đặt cố định tỳ sát lên phiến góp Đặt điện áp chiều U vào hai chổi than A, B Khi dây quấn phần ứng sinh dòng điện Iư Các dẫn ab, cd có dịng điện chạy qua, lại đặt từ trường nam châm vĩnh cửu lại chịu tác dụng lực F đt tác dụng làm cho roto quay Chiều quay roto chiều với lực điện từ xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ cho đo phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Theo định luật cảm ứng điện từ dẫn ab cd cắt đường sức từ trường cảm ứng sđđ: e = B.l.v (V) Trong đó: GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng (1.1) ĐỒ ÁN MÔN HỌC B: từ cảm nam châm N-S (T) l: chiều dài dẫn (m) v: vận tốc dài dẫn (m/s) Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp kích từ U k dây quấn kích từ xuất dịng kích từ ik mạch từ máy có từ thơng tương tác dịng điện phần ứng từ thơng kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trị mômen điện từ tính sau: Mđt = K Iư (1.2) Trong đó: : từ thơng cực K= : hệ số cấu tạo động p: số đôi cực động N: số dẫn phần ứng cực từ a: số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng 1.1.4 Phân loại Căn vào phương pháp kích từ người ta chia động điện chiều loại sau: - Động điện chiều kích từ độc lập Động điện chiều kích từ nối tiếp Động điện chiều kích từ song song Động điện chiều kích từ hỗn hợp 1.1.5 Đặc tính động Quan hệ tốc độ momen động gọi đặc tính động cơ: ω= f(M) n= f(M) Ngồi đặc tính cơ, động điện chiều người ta sử dụng đặc tính điện Đặc tính điện biểu diễn quan hệ tốc độ dòng điện mạch động cơ: ω= f(I) n= f(I) Phương trình đặc tính cơ(kích từ độc lập): GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MƠN HỌC (1.3) Phương trình đặc tính điện(kích từ độc lập): (1.4) Trong đó: Uư, Iư,Rư: Điện áp, dòng, điện trở phần ứng Rf: Điện trở phụ Φ: từ thơng Hình 1.5 Đường đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.2 Giải pháp nghiên cứu Như để điều khiển động DC phương pháp thay đổi điện áp phần ứng phù hợp với tổn hao điều khiển ít, dễ dàng thực với chi phí thấp phù hợp với cấu thông dụng Để điều khiển điện áp phần ứng có cách sau: - Dùng chỉnh lưu bán điều khiển điều khiển hoàn toàn - Dùng IC hay vasistor để thay đổi điện áp - Tạo xung PWM điều khiển mạch động lực để thay đổi điện áp đặt vào động -…vvv vvv… GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trong đề tài động sử dụng loại có cơng suất nhỏ, u cầu điều khiển phải có tính xác cao dễ dàng điều khiển nên chúng em chọn phương pháp phù hợp điều khiển động xung PWM từ vi điều khiển 1.2.1 Nguyên tắc điều chế xung PWM PWM ứng dụng nhiều điều khiển Điển hình mà thường hay gặp điều khiển động băm xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm động hay cao dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM cịn tham gia điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha PWM gặp nhiều thực tế mạch điện điều khiển Điều đặc biệt PWM chuyên dùng để điều khiển phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Như PWM ứng dụng nhiều thiết bị điện điện tử Điều mà dân điện điện tử dễ dàng nhận PWM nhân tố mà đội Robocon sử dụng để điều khiển động hay ổn định tốc độ động 1) Định nghĩa xung PWM Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh Pulse Width Modulation phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm 2) Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM tạo dựng nguyên tắc chuyển tải lượng từ A đến B dạng xung vng tồn áp (biên độ xung gần với điện áp nguồn cung cấp) liên tiếp Trong mức lượng tỷ lệ thuận với thời gian mở xung (độ rộng xung tính đơn vị thời gian Tần số xung PWM cố định hay biến đổi (thường cố định tần số xung chuyển mạch) Với tần số cố định, chu kỳ t tổng thời gian mở xung t(on) với thời gian tắt xung t(off) t = t(on) + t(off) (2.6) Tỷ lệ thời gian mở chu kỳ xung độ sâu điều biến độ rộng xung, đặc trưng thành thuật ngữ "% duty" GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MƠN HỌC Ví dụ, tần số xung KHz > t = ms Với t(on) = 0,5 ms > ta có độ điều biến 50% Hình 1.10 Điều chế độ rộng xung Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực nhiệm vụ mạch van bán dẫn Hình 1.11 Sơ đồ xung van điều khiển đầu Xét hoạt động đóng cắt van bán dẫn Dùng van đóng cắt Mosfet Giản đồ xung mạch nguyên lý điều khiển tải PWM giản đồ xung chân điều khiển dạng điện áp đầu dùng PWM Trong khoảng thời gian - t ta cho van G mở toàn điện áp nguồn U d đưa tải Còn khoảng thời gian t - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì với t0 thay đổi từ T ta cung cấp toàn bộ, phần hay khóa hồn tồn điện áp cung cấp cho tải GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển van xung PWM Cơng thức tính giá trị trung bình điện áp tải: Gọi t thời gian xung sườn dương (khóa mở ) cịn T thời gian sườn âm dương, U max điện áp nguồn cung cấp cho tải (2.7) với D = t1/T hệ số điều chỉnh tính % tức PWM Như ta nhìn hình đồ thị dạng điều chế xung ta có : Điện áp trùng bình tải : + U d = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%) + Ud = 12.40% = 4.8V (Với D = 40%) + Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 3) Các cách để tạo PWM để điều khiển Để tạo PWM có hai cách thơng dụng: Bằng phần cứng phần mền Trong phần cứng tạo phương pháp so sánh từ trực tiếp từ IC dao động tạo xung vuông như: 555, LM556 Trong phần mền tạo chip lập trình Tạo phần mền độ xác cao tạo phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM a) Tạo phương pháp so sánh Để tạo phương pháp so sánh cần điều kiện sau : GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 10 ĐỒ ÁN MÔN HỌC + Tín hiệu cưa : Xác định tần số PWM + Tín hiệu tựa tín hiệu xác định mức cơng suất điều chế (Tín hiệu DC) Xét sơ đồ mạch sau: Chúng ta sử dụng so sánh điện áp đầu vào xung cưa (Saw) tín hiệu chiều (Ref) + Khi Saw > Ref cho điện áp 0V + Khi Saw < Ref cho điện áp Urmax Và thay đổi Ref Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung cưa Saw b) Tạo phương pháp dùng IC dao động Như bít có nhiều IC tạo trực tiếp xung vuông mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm tích hợp sẵn hết ta việc lắp vào xong Ví dụ dùng dao động IC555 IC vừa đơn giản lại dễ kiếm GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 11 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Với tần số xác định f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên cần điều chỉnh R2 thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngồi 555 cịn nhiều IC tạo xung vng khác 4) Ví dụ mạch đơn giản tham khảo Trong mạch đơn giản ta tính giá trị : + Tần số lớn : f = 1/(ln2.C1.(R1+2R2)) = 1/0.693.10^-5.(1K+2.0 ) = 144,3 HZ + Tần số nhỏ : f = 1/(0.693.10^-5.(1K + 2.100K) = 0.72 (HZ) Từ ta suy thời gian t1 Ta tính độ rộng xung: PWM = t1/T (%) 1.2.2 Giải pháp thiết kế mạch động lực Vì dịng điện điện áp xung điều khiển PWM thường nhỏ Nên để dễ dàng điều khiển tốc độ động kết hợp với yêu cầu đảo chiều động việc thiết kế mạch động lực quan trọng Để làm điều lúc có phương án thường sử dụng sau: GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 12 ĐỒ ÁN MƠN HỌC - Sử dụng khóa điện tử để điều khiển tốc độ khóa khí để điều khiển đảo chiều Với cách làm việc điều khiển đảo chiều tương đối đơn giản tránh cố dễ dàng khắc phục đồng thời mang lại nhược điểm lớn như: chiếm nhiều diện tích diện tích khóa khí lớn, tốc độ điều khiển chậm, khóa khí dễ dàng bị hỏng q trình sử dụng lâu dài - Sử dụng mạch cầu H Mạch cầu H ghép khóa điện tử lại với với ưu điểm vượt trội như: tốc độ điều khiển nhanh, diện tích nhỏ, dễ dàng tích hợp với mô-dul điều khiển vi xử lý Nhưng không dễ dàng để điều khiển mạch cầu H theo u cầu Địi hỏi cần phải có kiến thức phần vững mạch cầu H phải tốt Với ưu điểm mạch cầu H nên đồ án chúng em sử dụng để điều khiển động Để đáp ứng với yêu cầu với nguồn điện 24V (DC) - 2.2A chạy cho động khóa điện tử mạch cầu H chọn phải khóa dung Most fet với ưu điểm cơng suất lớn, tần số chuyển mạch tương đối cao, chống nhiễu tốt Các khóa BJT khơng đáp ứng công suất 1.2.3 Giới thiệu mạch cầu H Mạch cầu H gọi mạch cầu H cấu tạo transitor Fet Đôi mạch cầu H cấu tạo transitor hay Fet Tác dụng transitor Fet van đóng mở dẫn dịng điện từ nguồn xuống tải Tín hiệu điều khiển van tín hiệu nhỏ (điện áp hay dịng điện) cho dẫn dòng điện áp lớn để cung cấp cho tải Tín hiệu điều khiển nhỏ thường tín hiệu đầu vi điều khiển nhỏ 5V (do điều chế PWM) mà điều khiển động cần dòng điện điện áp lớn Các van điều khiển hay chân điều khiển cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dịng điện) mở khóa (Transitor) dẫn dịng cho tải Mạch cầu H đảo chiều dịng điện qua tải nên hay dùng mạch điều khiển động DC mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động mạch cầu H đảo chiều động 1) Các dạng cấu tạo mạch cầu H Mạch cầu H cấu tạo dạng mà ta hay gặp : a) Dạng : Được cấu tạo transitor (Fet) Cùng kênh N Sơ đồ nguyên lý mạch cấu tạo sau: GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 13 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đối với dạng cấu tạo transitor kênh N Và cần tín hiệu điều khiển kích mở transitor (Fet) nên thường sử dụng nhiều điều khiển b) Dạng 2: Được cấu tạo cặp đôi transitor P,N hay FET (Thuận Ngược) Sơ đồ nguyên lý cấu tạo cấu tạo sau: Đối với thiết kế thấy ổn định Và thấy cần tín hiệu điều khiển thực tế cần tín hiệu điều khiển 2) Nguyên tắc hoạt động mạch cầu H GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 14 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Mạch cầu H điều khiển tín hiệu đóng mở van tín hiệu tín hiệu (Như hình vẽ) điều khiển chiều (Có nghĩa đảo chiều dịng điện) Xét chế độ thuận nghịch Như bit điều kiện để đóng mở đê transitor thông là: + Đối với kênh N để mở Ube > mở transitor dịng điện + Đới với transitor kênh P để mở Ube động quay thuận GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 18 ĐỒ ÁN MƠN HỌC Quay ngược (cơng tắc gạt chân 3): Khi xung NE555 mức (5V) cấp vào chân B Tip 41 làm Tip 41 dẫn điện áp 12V kích vào cực G mosfet làm Q2 Q4 dẫn, Q1 Q3 khóa => động quay ngược Để thay đổi tốc độ động thay cần thay đổi giá trị biến trở R2 để thay đổi độ rộng xung, Muốn đảo chiều ta cần gạt công tắc sang chiều cần quay 2.2 Sơ đồ boar mạch 2.2.1 Sơ đồ boar mạch CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 3.1.Những kết quả đạt được: GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 19 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Qua hai tháng miệt mài làm việc, với hướng dẫn tận tình …………………… thầy ………………., nhóm chúng em đạt kết sau: Thiết kế chế tạo mạch cầu H điều khiển động dùng MOSFET có khả sử dụng rộng rãi Đạt mục tiêu yêu cầu ban đầu Vận dụng nhiều kiên thức khuếch đại q trình thi cơng Tìm hiểu nhiều mẫu sử dựng sau Tham khảo nhiều ý tưởng hay, có nhiều sáng tạo thiết kế Khả tìm tài liệu mạng Khả làm việc theo nhóm 3.2 Kết Luận: Đồ án môn học tập mang tính chất thử thách sinh viên Tọa điều kiện hồn kiện hoàn thiện cho sinh viên mặt kiến thức trường ngồi thực tế Nâng cao tìm tòi nghiên cứu, học hỏi thân Và bước ngoặc nên với đề tài cịn nhiều khó khăn thiếu sót Em mong góp ý bảo Thầy Em chân thành cảm ơn! GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 20 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạch điện tử Lê Tiến Thường Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, xuất 7/2004 [2] Mạch điện tử Lê Tiến Thường Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, xuất 2/2006 [3] Các trang web: http://www.elecfree.com/ http://www.elecfree.com/ http://www.dientuvietnam.net/ http://tailieu.vn/ [4] Sách kỹ thuật mạch điện tử [5] Sách lý thuyết mạch điện tử GVHD : Bùi Trung Thành SVTH : Nguyễn Minh Thắng Trần Văn Tùng 21