Điều khiển tốc độ động cơ 24v có đảo chiều sử dụng cầu h (relay để đảo chiều)

Để các sinh viên tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc nghiên cứuchúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ 12V DC ” nhằm

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

…………

Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên conđường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung đã cónhững bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nềnkinh tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệtrẻ có đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phảinâng cao chất lượng đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vàotrong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ của con người ngày càngcao mới đáp ứng được nhu cầu của xã hội Trường ĐHSPKT Hưng Yên là mộttrong số những trường đã rất trú trọng đến việc hiện đại hoá trang thiết bị nhằmnâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên có khả năng thực tếcao

Để các sinh viên tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc nghiên cứuchúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ 12V DC ” nhằm củng cố về mặt kiến

thức trong quá trình thực tế

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của cô Nguyễn Phương Thảo cùngvới sự cố gắng lỗ lực của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu Đến nay đồ áncủa chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất

cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế, kinh nghiệm còn ít nên không thể tránhkhỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ và đóng góp ykiến của các thầy cô giáo trong khoa để đề tài của chúng em ngày càng hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Phương Thảo cùng các thầy cô giáotrong khoa đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài

Em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:DẪN NHẬP 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Ứng dụng của đề tài 5

1.3 Mục đích nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 7

2.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 7

2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 9

2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều 10

2.2.1 Khái niệm chung về điểu khiển động cơ điện một chiều 10

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ 11

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 11

2.2.4 Điều chỉnh tôc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 12

2.2.5 Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng 12

2.2.6 Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung (PWM) 13

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ VI MẠCH ĐỊNH THÌ 555 14

3.1 Khái niệm 14

3.2 Cấu tạo 15

3.3 Nguyên tắc hoạt động 17

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH 21

4.1 Thiết kế sơ đồ khối 21

4.2.Lựa chọn linh kiện 22

4.2.1 Máy biến áp 22

4.2.2 IC họ 78xx 25

4.2.3 Rơle 27

4.2.4 Transistor 29

4.3 Thiêt kế sơ đồ nguyên lý và chức năng linh kiện 30

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý 30

4.3.2 Chức năng linh kiện trong mạch 31

4.3.3 Phân tích nguyên lý hoạt động 31

KẾT LUẬN 35

CHƯƠNG 1:DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũngnhư công nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độduy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiềuquay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử

Nhưng mạch điện tử được thiết kế như thế nào để điều chỉnh tốc độ củađộng cơ ? Để trả lời câu hỏi trên thì nhóm xin giới thiệu một mạch điều chỉnh tốc

độ động cơ và đảo chiều khá hiệu quả sử dụng IC555 kết hợp rơle

1.2 Ứng dụng của đề tài

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của conngười đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, mang lại sự tiện lợi tối ưu vớinhững trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đấtnước Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã gópphần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước Trong đó sựtích hợp các mạch điện – điện tử ngày càng trở nên thiết yếu khi mà công nghệngày càng phát triển hơn tiến tới thời đại của vi xử ly vi mạch những mạch cồngkềnh chiếm nhiều diện tích đã bị loại bỏ dần thay vào đó là các mạch siêu nhỏgọn gàng hơn đang được ưa chuộng Bên cạnh đó là những mạch tiện ích mạchđiều khiển thông minh dễ sử dụng đối với con nguời cũng đang được phát triểnrộng những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng nhưkhông thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của cácmạch điều khiển chúng em đang tiến hành thiết kế mạch điều khiển và đảo chiềutốc độ động cơ 12v DC

Đề tài này có thể ứng dụng trong thực tế như đảo chiều của một băng chuyền sảnxuất phát triển lên động cơ xe đạp điện, làm quạt gió

1.3 Mục đích nghiên cứu

Mục đích hàng đầu của mạch thay đổi tốc độ động cơ dùng ic 555 là nghiên cứu

mạch ứng dụng IC555 để thay đổi điện áp ngõ ra từ đó thay đổi tốc độ quay kếthợp dùng rơle thay đổi điện cực vào của động cơ để đảo chiều Qua quá trìnhnghiên cứu mạch cũng tạo điều kiện cho sinh viên hệ thống lại những kiến thức

đã học trong bộ môn điện tử căn bản, kỹ thuật số, ly thuyết mạch… qua đó thấyđược tầm quan trọng của môn học này , đồng thời góp phần nâng cao khả năngứng dụng những gì đã học của sinh viên vào thực tiễn.Qua đó thiết kế chế tạothành công mạch điều khiển,đảo chiều động cơ 12v DC mạch hoạt động ổn định

sử dụng lâu dài có tính ứng dụng cao vào thực tiễn

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

2.1.1 Khái niệm

- Động cơ điện 1 chiều là 1 thiết bị điện có 2 phần chính là phần quay (roto) và

phần tĩnh (stato) Sử dụng nguồn điện 1 chiều (DC) đề hoạt động

- Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng.Nguyên ly làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện một chiềuđược sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điệnmột chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

2.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

a) Phần tĩnh (stator)

Gồm các phần chính sau:

- Cực từ chính:

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích

từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện.Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằngdây đồng bọc cách điện

- Cực từ phụ:

Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

- Gông từ:

- Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiếtdiện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật.Dây quấn

được cách điện với rãnh của lõi thép

- Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạncách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụtròn

Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn vào các phiến góp được dễ dàng

- Các bộ phận khác:

+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy ( nếu có )

+ Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng códòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lựcđiện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắcbàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗnhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổiđảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từtrường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tayphải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Ecòn gọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư Trong đó: Rư: điện trở phần ứngIư: dòng điện phần ứng

Eư: sức điện động

2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

2.2.1 Khái niệm chung về điểu khiển động cơ điện một chiều

a) Định nghĩa:

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn điện áp hay các thông số mạch điện như điện trở phụ, thay đổi từthông Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốcđộ làm việc mới phùhợp 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 tiếp từ trụcđộng cư đến cơ cấu sản xuất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạpcủa cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điềuchỉnh 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 phụtải thay đổi của động cơ điện

Về phương diện điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn sovới các loại động cơ khác Không những nõ có khả năng điều chỉnh tốc độ dễdàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lạichất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

b) Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

- Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống điện ta cần chú y và căn cứ vào các chỉ tiêusau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền điện:

+ Hướng điều chỉnh tốc độ

+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh)

+ Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ

+ Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ

+ Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ.

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

- Đối với máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áptrên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránh nhữngbiến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh phương pháp điều chỉnhtốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng chođộng cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn biến đổiđiện áp biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnhgiá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu

- Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điềuchỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải ly tưởng

- Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơbản và chi phí vận hành cao

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

- Điều chỉnh từ thong kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh Momenđiện từ của động cơ và sức điện động quay của động cơ Thông thường, khi thayđổi từ thong thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức

- Nhận xét: Phương pháp này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc dộlớn hơn tốc độ cơ bản, thường được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy màivạn năng hoặc là máy bào giường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thựchiệntrên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế Thiết bị đơn giản

2.2.4 Điều chỉnh tôc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

- Phương pháp điều chỉnh tốc dộ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng có thể dùng cho tất cả động cơ điện một chiều

- Phương pháp này chỉ dùng cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn tốc độ cơbản

- Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần trục ,thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

- Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào cànglớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tảithay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổnhao phụ càng tăng

2.2.5 Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng

- Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản và điều chỉnhnhảy cấp Hệ thống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thìngười ta dùng phương pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch

- Theo phương pháp này thì phần ứng động cơ nối song song với điện trở và nối

Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải:

+ Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi

+ Vì dòng kích từ thông không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ không đổilàm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị sô định mức

- Phương pháp này chỉ dùng cho cầu trục, thang máy, máy cán thép Đồng thời

tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại.

- Phương pháp này điều chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn tốc

Ngoài ra còn nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ

- Hệ thống khuếch đại máy điện – động cơ

2.2.6 Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung (PWM)

Điều mà chúng ta nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong điều khiểntốc độ động cơ Ta chỉ cần thay đổi độ rộng đầu vào thì sẽ điều khiển được tốc độđộng cơ nhanh, chậm hay ổn định tốc độ cho động cơ 1 chiều

Ưu điểm:

Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái là on hoặc off do đó loại bỏ được

sự tổn hao về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại đầu ra

Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính Tốc độ động cơ quaynhanh hơn khi được cấp chuỗi xung theo kiểu PWM so với khi cấp 1 điện áptương đương với điện áp trug bình của chuỗi xung PWM.

Hình 3.1: Hình ảnh IC555

Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường: + Điện áp đầu vào: 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555.+ Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V

+ Công suất lớn nhất là: 600mW

3.2 Cấu tạo

+ Là thiết bị tạo xung chính xác

+ Máy phát xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

Hình 3.2: Sơ đồ chân IC555

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi làchân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đượcdùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sánh ở đây dùng cáctransitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tươngứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng

mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V).+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse

theo mức áp trên chân 2 và 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao độngthường hay nối chân này lên VCC.

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong

IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND.Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụnày lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp.+ Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điềukhiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lạingược

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho

IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V

Hình 3.3: Cấu tạo bên trong IC 555

Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của 555 gồm: 2 con OPAM, 3 conđiện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):2 OP-amp có tác dụng so sánh điện

áp Transistor để xả điện Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện ápVCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vàochân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2

Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = 1 và FF được kích Khi điện áp

ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = 1 và FF được reset

3.3 Nguyên tắc hoạt động

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Ở trên mạch trên ta bít là H là ở mức cao và nó gần bằng Vcc và L là mức thấp và

logic 1(H)