thiết kế chế tạo động cơ bước dc có đảo chiều quay

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động DC phương pháp PWM có đảo chiều quay I Dữ liệu cho trước Tài liệu ĐTCS, phòng thiết bị II Nội dung cần hoàn thành Tổng quan mạch điều khiển tốc độ động DC Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện DC Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động điện DC Sản phẩm đề tài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật sử dụng làm mô hình giảng dạy Quyển thuyết minh mô tả đầy đủ xác nội dung đề tài III Tài liệu tham khảo Các tài liệu giáo trình chuyên môn có liên quan Trang thiết bị máy móc xưởng thực tập Giáo viên hướng dẫn Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành: MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 IC 78xx 1.1.1 Ký hiệu 1.1.2 Các tham số 1.2 MOSFET IRF 540 1.2.1 Cấu tạo Mosfet 1.2.2 Ký hiệu 2.2 Cấu tạo động điện chiều .11 2.2.1 Phần tĩnh (stator) 11 2.2.2 Phần quay (rotor) .11 2.3 Nguyên lý làm việc động điện chiều .12 2.4.1 Khái niệm chung: .14 2.4.1.1 Định nghĩa: .14 2.4.1.2 Các tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ: 14 2.5.2 Phương trình đặc tính 17 3.Xung PWM 18 2.2 Sơ đồ nguyên lý 24 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 24 2.2.3 Khối điều khiển 25 2.2.4 Khối mạch động lực 27 2.3.Nguyên lý toàn mạch 28 2.4.Sơ đồ mạch in toàn mạch 29 Lời nói đầu Cùng với phát triển kinh tế khoa học kỹ thuật đường công nghiệp hoá đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung có bước tiến vượt bậc mang lại thành đáng kể Để thúc đẩy nề kinh tế đất nước ngày phát triển, giàu mạnh phải đào tạo cho hệ trước đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo phải đưa phương tiện dạy học đại vào giảng đường, trường học có trình độ người ngày cao đáp ứng nhu xã hội Trường ĐHSPKT Hưng Yên số trường trú trọng đến việc đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu giảng dạy giúp sinh viên có khả thực tế cao Để sinh viên có tăng khả tư làm quen với công việc thiết kế, chế tạo chúng em giao cho thực đồ án: “Thiết kế chế tạo mạch điều động DC phương pháp PWM ” nhằm củng cố mặt kiến thức trình thực tế Sau nhận đề tài, nhờ giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn với lỗ lực cố gắng nhóm, tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến đồ án chúng em mặt hoàn thành Trong trình thực dù cố gắng trình độ hạn chế kinh nghiệm nên tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận bảo giúp đỡ đóng góp ý kiến cô thầy khoa để đồ án chúng em ngày hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo với thầy giáo khoa giúp chúng em hoàn thành đồ án CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT IC sử dụng mạch 1.1 IC 78xx IC ổn áp 7812,7805 1.1.1 Ký hiệu Kí hiệu IC 78XX Note: XX mức điện áp tùy chọn • Cách đơn giản để tạo nguồn +12V dùng IC nguồn 7812 • Nhược điểm lớn họ 78XX tỏa nhiệt nhiều, điện áp thừa cắt bỏ chuyển thành nhiệt tỏa IC Lưu ý điện áp đầu vào cho 7812 nên cao 2V-3V so với điện áp đầu ra, họ 78XX họ IC nguồn tạo điện áp dương tùy theo loại IC ta chọn.Ví dụ 7805 cho điện áp +5V 1.1.2 Các tham số 1.2 MOSFET IRF 540 1.2.1 Cấu tạo Mosfet Mosfet Transistor hiệu ứng trường Transistor đặc biệt có cấu tạo hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta biết Mosfet thường có công suất lớn nhiều so với BJT Đối với tín hiệu chiều coi khóa đóng mở Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa hiệu ứng từ trường để tạo dòng điện, linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại nguồn tín hiệu yếu Khác với BJT, Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Cấu tạo Mosfet ngược Kênh N G : Gate gọi cực cổng S : Source gọi cực nguồn D : Drain gọi cực máng Trong : G cực điều khiển cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn lại lớp điện môi cực mỏng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2) Hai cực lại cực gốc (S) cực máng (D) Cực máng cực đón hạt mang điện Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vô lớn , điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S ( UGS ).Khi điện áp UGS = điện trở RDS lớn, điện áp UGS > => hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS lớn điện trở RDS nhỏ 1.2.2 Ký hiệu Ký hiệu hình ảnh IRF 540 Van động lực dùng sơ đồ loại transistor trường hay MOSFET có tên IRF 540 Nó MOSFET loại N (N-CHANNEL) chịu dòng lên đến 25A tần số đóng ngắt cao (1MHz).Nó dùng để đóng ngắt khuếch đại điện áp cung cấp cho động DC.Xung điện áp đưa vào qua chân G IRF 540,giả sử ban đầu xung điện áp có điện áp >0 IRF dẫn => có điện áp đầu ra,tại thời điểm thứ xung điện áp có giá trị =0 IRF khóa điện áp đầu =0 tạo điện áp đầu có dạng xung vuông Một số thông số IRF 630 : VDSS Thông số Min Điện áp 300 Max Đơn vị Điều kiện V VGS = 0V, đánh thủng RDS(on) ID = 250µA Điện trở cực - 44 m DS VSD ID = 16A Điện áp - 1,2 V trước diot VGS Điện áp cực IS = 16A, VGS = 0V 2.0 4.0 V cửa Gate IDS VGS= 10V, VDS=VGS, ID = 250µA Dòng D-S - 33 A - cực đại 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Mosfet hoạt động chế độ đóng mở Do phần tử với hạt mang điện nên Mosfet đóng cắt với tần số cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn vấn đề điều khiển lại đề quan trọng Mạch điện tương đương Mosfet Mạch điện tương đương Mosfet Nhìn vào ta thấy chế đóng cắt phụ thuộc vào tụ điện ký sinh + Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet Ugs0 Dòng điện từ S đến D + Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet Ugs >0 Điện áp điều khiển đóng Ugs kim lên Bước : Chập G vào D G vào S để thoát điện chân G Bước : Sau thoát điện chân G đo lại DS bước kim không lên => Kết Mosfet tốt + Mosfet chết hay chập Để đồng hồ thang x 1KW Đo G S G D kim lên = W chập Đo D S mà hai chiều đo kim lên = W chập D S +Đo kiểm tra Mosfet mạch Khi kiểm tra Mosfet mạch , ta cần để thang x1W đo D S => Nếu chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => Mosfet bình thường, Nếu hai chiều kim lên = W Mosfet bị chập DS 1.2.5.Ứng dụng Mosfet Mosfet có khả đóng nhanh với dòng điện điện áp lớn nên sử dụng nhiều dao động tạo từ trường Vì đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy nguồn xung cách mạch điều khiển điện áp cao 1.3 IC NE556 Sơ đồ cấu trúc IC NE 556 Sơ đồ chân IC NE556 IC NE 556 có khả tạo xác thời gian trễ tạo dao động Trong thời gian trễ ta điều chỉnh thời gian thông qua điện trở tụ điện NE 556 loại linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo xung vuông thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, dễ dàng tạo độ rộng xung IC NE 556 ứng dụng phổ biến mạch đóng cắt mạch dao động khác Động chiều 2.1.Giới thiệu chung động điện chiều 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 Động điện chiều gồm loại sau đây: -Động điện chiều kích từ song song -Động điện chiều kích từ nối tiếp -Động điện chiều kích từ hỗn hợp Khi nguồn điện chiều có công suất lớn điện áp không đổi mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng Khi nguồn điện chiều có công suất không đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào nguồn chiều độc lập 2.5.2 Phương trình đặc tính Trường hợp Rf= 0: U= E + Iư.Rư (1) Trong đó: E= Ke Φ n Ke = (2) p.n 60a : hệ số sức điện động động a: số mạch nhánh song song cuộn dây K= p.n : hệ số cấu tạo động 2aπ ω : tốc độ góc tính rad/s p: số đôi cực N: số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng Thế (2) vào (1) ta có: ω = Hoặc: n= Uu R − u Iu K φ K φ (3) Uu R − u Iu K e φ K e φ (4) Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi phương trình đặc tính điện Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): mômen điện từ động Suy ra: n= Uu Ru − M K e φ K e φ K Φ phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Hoặc: ω = Uu Ru − M = ω0 − ∆ω K φ ( K φ ) đó: ω : tốc độ không tải lý tưởng ∆ω : độ sụt tốc độ 3.Xung PWM Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải cách có chu kỳ theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt phần tử thực nhiệm vụ mạch van bán dẫn Xét hoạt động đóng cắt van bán dẫn dùng van đóng cắt mosfet Giản đồ xung Sơ đồ xung van điều khiển đầu Trên nguyên lý điều khiển tải PWM giản đồ xung chân điều khiển dạng điện áp đầu dùng PWM Nguyên Lý Trong khoảng thời gian từ – t O ta cho van G mở toàn nguồn U d đưa tải khoảng thời gian từ tO – T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì với thay đổi từ T ta cung cấp toàn bộ, phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải + Công thức tính giá trị trung bình điện áp tải: Gọi t1 thời gian xung sườn dương (khóa mở) T thời gian sườn âm sườn dương Umax điện áp nguồn cung cấp cho tải  Ud = Umax.( ) (V) Hay Ud= Umax.D Với D= hệ số điều chỉnh tính % tức PWM Như ta nhìn đồ thị dạng điều chế xung ta có: điện áp trung bình tải là: + Ud= 12.20% = 2,4V (với D=20%) + Ud= 12.40% = 4,8V (với D=40%) + Ud= 12.90% = 10,8V (với D=90%) Sơ đồ dạng xung điều chế chu kì thời gian xung lên (Sườn dương) thay đổi dãn co vào Và độ rộng tính phần trăm tức độ rộng tính sau : Độ rộng = ( Điện áp đầu : U0 = ( Uv Như thời gian xung lên lớn chu kì điện áp đầu lớn Nhìn hình vẽ ta tính điện áp tải : + Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.( ) = Umax.25% (V) + Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V) + Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V) Cứ ta tính điện áp đầu tải với độ rộng xung Dưới dạng sóng Oscilloscope Độ rộng xung 50% Độ rộng xung 85% Độ rộng xung lớn Trên thực tế xung PWM có dạng nhọn góc không vuông xung lý thuyết phần nhiễu phần chất lượng linh kiện dùng mạch CHƯƠNG : THIẾT KẾ,TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN SẢN PHẨM 2.1 Sơ đồ khối toàn mạch Khối tạo xung NE 556 Khối điều khiển nút nhấn biến trở Khối nguồn toàn mạch Khối động lực Khối nguồn toàn mạch: Tạo nguồn ổn định 12V cho mạch tạo xung PWM NE 556 Tạo nguồn 5V cho mạch điều khiển Khối điều khiển : Điều khiển chạy- dừng đảo chiều thuận nguộc động Đồng thời cách ly mạch điều khiển động lực Khối động lực: Là mạch cầu H gồm IRF nhận xung điều khiển để tăng giảm tốc độ hay đảo chiều động Khối tạo xung NE 556: Tạo xung vuông PWM để điều khiển tốc độ động 2.2 Sơ đồ nguyên lý 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị thích hợp với yêu cầu, biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều có giá trị : 12V - Mạch chỉnh lưu chuyển tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp chiều không phẳng (có giá trị thay đổi nhấp nhô), +12V C1, C3: có nhiệm vụ san mức điện áp Vì mạch ổn áp nối song song  Áp dụng công thức: C = Upp Trong : C : Điện dung Upp : Điện áp đỉnh – đỉnh T : Chu kì I : Cường độ dòng điện  C = 400 µF  Giá trị điện dung mạch ổn áp cần tối thiểu 400µF Để mạch có nguồn ổn định cao ta chọn tụ có giá trị C = 2200µF + Mạch ổn áp IC 7812 tạo điện áp ổn định 12V + Mạch ổn áp IC 7805 tạo điện áp ổn định 5V 2.2.2 Khối mạch tạo xung IC NE556 thực chất x IC555 tích hợp công nghệ chế tạo bán dẫn Nửa 556 đầu nối ghép làm mạch tạo dao động (như hình trên) Chân nửa 556 đầu dùng để tạo xung cho nửa 556 sau: Chu kì dao động T =0,693.( R3 + 2.R6).C7 Nửa NE556 sau dùng để điều chế độ rộng xung, sau NE556 mosfet khuếch đại cho mạch điều khiển Khi thay đổi biến trở R4 điện áp chân 11 (control voltage ) nửa 556 sau thay đổi theo độ rộng điện áp xung (chân 9) thay đổi => điều chế độ rộng xung 2.2.3 Khối điều khiển Khối mạch điều khiển dùng công tắc để điều khiển trạng thái Start, Stop, Quay thuận,Quay ngược cho động Nhấn lần nút Start động khởi động, nhấn nút Start lần động dừng Tương tự,nhấn lần nút Chiều động quay thuận, nhấn nút Chiều lần động quay ngược 2.2.4 Khối mạch động lực Khối mạch động lực dùng cầu H để điều khiển tốc độ đảo chiều động Để động quay thuận,ta cấp xung cho IRF chéo Q1 Q3 Để động quay ngược,ta cấp xung cho IRF chéo Q2 Q4 Vì động có thông số P = 2kW U = 220V hiệu suất ta có dòng định mức động là: p = u.i  I = P ÷ (U × ) = ×103 ÷(220 × 0,85) = 10,69 (A) = 85% Dòng khởi động động từ (1,5 Iđm dòng khởi động động là: Ikd=1,5.Iđm = 1,5.1,47= 16 (A)  ta chọn IRF 540 hợp lý.Điện áp hoạt động 300V,dòng điện định mức 30A 2.3.Nguyên lý toàn mạch 2.4.Sơ đồ mạch in toàn mạch TỔNG KẾT Qua trình thực đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động DC phương pháp PWM” giúp chúng em tạo nhóm, biết cách tổ chức công việc thời gian hợp lý Đó thành lớn trình học tập mà chúng em đạt Trong trình thực đề tài gặp nhiều khó khăn song với hướng dẫn nhiệt tình thầy với lỗ lực thành viên nhóm, chúng em hoàn thành đề tài Tuy nhiên kiến thức chúng em hạn chế nên đề tài tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp cô thầy cô khoa toàn thể bạn sinh viên để đề tài chúng em thêm hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo Sách điện tử khoa, số sách tài liệu linh kiện điện tử, mạch nguồn Website: www.google.com.vn www.dientuvietnam.net www.datasheet4u.com www.tailieu.vn www.hoiquandientu.com [...]... Start động cơ sẽ khởi động, nhấn nút Start lần 2 động cơ sẽ dừng Tương tự,nhấn lần 1 nút Chiều động cơ sẽ quay thuận, nhấn nút Chiều lần 2 động cơ sẽ quay ngược 2.2.4 Khối mạch động lực Khối mạch động lực dùng cầu H để điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ Để động cơ quay thuận,ta cấp xung cho 2 IRF chéo nhau Q1 và Q3 Để động cơ quay ngược,ta cấp xung cho 2 IRF chéo nhau Q2 và Q4 Vì động cơ có thông... chạy- dừng và đảo chiều thuận nguộc động cơ Đồng thời cách ly giữa mạch điều khiển và động lực Khối động lực: Là mạch cầu H gồm 4 IRF nhận xung điều khiển để tăng giảm tốc độ hay đảo chiều động cơ Khối tạo xung bằng NE 556: Tạo xung vuông PWM để điều khiển tốc độ động cơ 2.2 Sơ đồ nguyên lý 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều có giá trị thích... đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên Eư còn gọi là sức phản điện động Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư Trong đó: Rư: điện trở phần ứng Iư: dòng điện phần ứng Eư: sức điện động Theo yêu... chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ + U­ I - E KT IKT + UKT - Hình 1.7 Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 2.4 Điều khiển tốc độ quay của động cơ điện một chiều 2.4.1... hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau 2.5 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm... ta có dòng định mức của động cơ sẽ là: p = u.i  I = P ÷ (U × ) = 2 ×103 ÷(220 × 0,85) = 10,69 (A) = 85% Dòng khởi động của động cơ từ (1,5 Iđm do vậy dòng khởi động của động cơ là: Ikd=1,5.Iđm = 1,5.1,47= 16 (A)  ta chọn IRF 540 là hợp lý.Điện áp hoạt động 300V,dòng điện định mức là 30A 2.3.Nguyên lý toàn mạch 2.4.Sơ đồ mạch in toàn mạch TỔNG KẾT Qua quá trình thực hiện đề tài: Thiết kế và chế tạo. .. chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản... của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác Không những nó có. .. lý động cơ điện 1 chiều Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập 2.5.2 Phương trình đặc tính cơ Trường hợp Rf= 0: U= E + Iư.Rư (1) Trong đó: E= Ke Φ n Ke = (2) p.n 60a : hệ số sức điện động của động cơ. .. (Mđm , wđm) Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β được tính như sau: ∆β = ∆M ∆ω β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng β → ∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng 2.5.1