CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ. Dễ thay đổi tốc độ trong một khoảng khá rộng. Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động cơ không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ở những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ. Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp. Nếu cống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền. Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác. Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay đổi tốc độ và dễ dàng thay đổi tốc độ, chiều quay nên các động cơ một chiều công suất nhỏ vẫn thường được sử dụng hiện nay.

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

I Nguyên lý điều khiển động cơ điện 1 chiều.

1 Đặc điểm của Động Cơ một chiều:

Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ Dễ thay đổi tốc độtrong một khoảng khá rộng

Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động

cơ không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ởnhững nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ

Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp Nếucống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền

Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác

Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương phápthay đổi tốc độ và dễ dàng thay đổi tốc độ, chiều quay nên các động cơ một chiềucông suất nhỏ vẫn thường được sử dụng hiện nay

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều khiển tốc độ động cơđiện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động)

và loại điều khiển mạch hở Hệ truyền động điều khiển tự động có cấu trúc phức tạp,nhưng có chất lượng điều khiển cao và dải điều khiển rộng hơn so với hệ truyền độnghở

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cònphân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thờitùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở mộtgóc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư

2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

U u u u

M c

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng

do thêm Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế

2.2.Điều khiển từ thông:

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M  K I u và sức điện động quay của động cơ

u

E  K  Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vigiới hạn của việc thay đổi từ thông Nhưng theo công thức trên khi  thay đổi thìmômen, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điêù khiển vàmômen tải => phương pháp này cũng ít dùng

2.3.Điều khiển điện áp phần ứng:

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều bằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phươngtrình sau:

U u u u



Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi,

còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U u của hệthống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 họ đường song song :

Mc

Nguyên lý điều khiển:

Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện ápđộng cơ:

Mạch nguyên lý:

Trong đồ thị trên : idk là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển

t là độ rộng xung, t =T-t là độ rỗng xung

Ta có :

Ud = U.t1/T

Để thay đổi Ud ta thay đổi độ rộng xung điều khiển ta thay đổi thời gian đóng

mở khoá K => thay đổi thời gian có dòng t1 trong mỗi chu kỳ T => độ rộng xung thayđổi

Set bit K=1 (đóng) => có i

Set bit K=0 (mở) => không có i

Như vậy ta đã có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ

II.Thiết kế các mạch điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều.

1 Mạch điều khiển dùng bộ đếm tiến lùi và DAC

Sơ đồ khối:

Trong sơ đồ trên tín hiệu sau bộ đếm tiến lùi là số, trong khi tín hiệu điềukhiển ĐC phải là analog Do đó ta phải dùng bộ biến đổi DAC (Digital to AnalogConverter) để chuyển tín hiệu từ số sang xung Điện áp sau DAC được qua khâukhuếch đại để có điện áp thích hợp điều khiển động cơ

Thiết kế:

DAC : Ta chọn vi mạch DAC là DAC 0808 - vi mạch chuyển đổi số - tương

tự 8-bit Thời gian chuyển đổi tối đa là 150 ns Tiêu thụ công suất 33 mW với nguồnnuôi ±5V Đầu ra là dòng điện có giá trị phụ thuộc vào mã nhị phân đưa vào.DAC0808 tương thích và giao tiếp được với các mức logic TTL, DTL hay CMOS.Nguồn nuôi của vi mạch cho phép trong khỏang từ -18V đến +18V Dòng vào so sánh

là 2-5 mA Nhiệt độ làm việc bình thường là 0-75°C Trong các ứng dụng thông

thường, chân 14 được nối lên điện áp so sánh Vref thông qua điện trở 5k Sơ đồ chân

và cách ghép nối của DAC0808 trong mạch được trình bày ở hình sau:

Bộ đếm : 8 đầu vào số (A1 đến A8) được nối với đầu ra của bộ đếm tiến lùi.

Bộ đếm ở đây là 8 bit được thành lập bằng cách nối ghép 2 IC đếm 74193 (mỗi IC là

4 bit –modun 16) ta được bộ đếm modun 16x16 =256:

Để khởi động cho bộ đếm ta dùng 1 D-Flip flop 74LS74 như hình vẽ Cácchân ra của bộ đếm là 3,2,6,7 được nối trực tiếp với các đầu vào của DAC Ta đượccác giá trị tổ hợp A1A8 từ 0  255 và giá trị điện áp sau DAC được tính theo côngthức:

) 256

8

4

2 2

8

4

2 2

1

R

V I

ref

ref

Trong mạch : Vref = +5V, Rref = 5K

Để có Uđk động cơ ta dùng 1 bộ khuếch đại đảo LM741 sau DAC:

) 256

8

4

2 2

1 ( 1

2 1 / 2

R

R R R V

U dk  out  ref   

Chọn R1 = 1K, R2 có thể thay đổi (để điều chình Udk ở đầu output thích hợp)

Mạch tạo xung : mạch tạo xung để tạo xung đồng bộ cho bộ đếm, đầu ra của mạch

tạo xung nối với chân clk của Flip-Flop

Để tạo xung có 2 cách, ta có thể dùng thạch anh, nhưng do cần tần số xung cóthể thay đổi được ta phải thiết kế mạch tạo dao động (ossillator) dùng 555 để tạo xungcho bộ đếm

Thiết kế mạch tạo xung 555 theo sơ đồ sau:

Xung ra (chân 3 của 555) là xung vuông độ rộng T1, độ rỗng T2, chu kỳ

2.Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều đơn giản dùng 555.

555 còn có thể dùng tạo xung theo cách khác nếu lắp thêm điot ngược từ

chân 6 lên chân 7 để ngăn dòng đi qua Rb khi tụ hoá C xả Khi đó T1 giảm 1 lượng0,693.Rb.C, còn T2 không đổi so với trường hợp trên:

Nếu theo cách này khi ta điều chỉnh được T1, T2 (bằng biến trở) đồng thời màvẫn giữ nguyên T , tức tăng Ra và giảm Rb đồng thời một lượng như nhau thì độ rộngxung thay đổi mà tần số không đổi như thế ta đã điều chế được độ rộng xung chomạch điều khiển động cơ Điều này có thể làm được bằng cách sử dụng thêm 1 biếntrở lắp giữa Ra, Rb dùng cả 3 chân theo sơ đồ sau:

Chức năng các linh kiện:

LM555: dao động tạo xung PWM R2: điều chỉnh tốc độ động cơ

MOSFET IRF510: tầng công suất cho mạch điều khiển Diode D2: triệt xung gai, bảo vệ MOSFET

Diode D1 :tạo đường xả độc lập cho tụ C2

Ta vẫn có : T1 = 0,693.Ra C

T2 = 0,693 Rb.C

T =0,693.( Ra + Rb).CNhưng : Ra = R1 + R21

Rb = R3 + R22R1, R3, R21+R22 =R2 không đổi suy ra (Ra + Rb) không đổi => Tkhông đổi

3 Một số mạch khác điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng phương pháp PWM

3.1 So sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung.

Sơ đồ mạch:

Trong mạch trên ta có :

IC U1c : có chức năng tạo điện áp chuẩn 6V cho 2 IC: U1a và U1d

IC U1a : tạo xung vuông

IC U1b : bộ tích phân biến đổi xung vuông thành xung tam giác

IC U1b : là bộ so sánh giữa xung tam giác ở đầu vào 5 với điện áp 1 chiều ởđầu vào 6 có thể thay đổi nhờ chỉnh biến trở VR1:

U6 = 12

7 2

7 6

R VR

VR R R

Mosfet : tầng khuếch đại cho mạch điều khiển

D1 : bảo vệ mosfet, led để kiểm tra xung điều khiển cho động cơ

Các tụ C2,C3,C4,C5 : lọc nguồn

U2 ( IC 7812) : ổn định điện áp 12V cho các nguồn trong mạch

3.2.Mạch điều khiển tốc độ dùng NE 556

LM311 là bộ so sánh dùng để cắt dòng điều khiển ( => cắt tốc độ về 0 – zerospeed cut off) khi điện áp chân 11 (control voltage ) nhỏ hơn địên áp U3.

Tính toán mạch LM311:

Ta có: khi U2 >U3 = ( )

19

12 18

1

1

V k

k

k Vcc





K K

U Vcc K

U U

50 10

3 50

3 10

)312.(

để bảo vệ động cơ cần phải cắt dòng điều khiển

4 Vi mạch LM3524.

Các đặc điểm (Features) LM 3524/2524 :

- Có đầy đủ các đặc tính họ LM3524 chuẩn

- Độ chính xác ± 1 % với điện áp chuẩn 5 V

- Đầu ra có dòng điện tới 200 mA DC

- Điện áp đầu ra có thể đến 60V DC

- Đầu vào có độ rộng chung cho error-Ampli (xem Block diagram)

- Tại một thời điểm có một xung xác định ( triệt xung nhiễu - ồn)

- Cải thiện khả năng làm việc ở tần số cao

- Khả năng triệt xung gai gấp hai lần

- Đồng bộ hóa xung qua chân 3

Sơ đồ chân:

Mô tả các chức năng của các vi mạch có trong LM3524:

1 Bộ điều chỉnh điện áp – Reference regulator.

Bên trong LM3524 có bộ reference regulator (đầu vào chân 16) để tạo điện ápchuẩn 5V như hình vẽ sau:

Trong sơ đồ trên vi mạch LM330T hoạt động tương tự 1 IC ổn áp Khi đầuvào lớn hơn 5V cỡ 5,5-8V qua LM330T đầu ra sẽ ổn định ở 5V để cung cấp nguồnnuôi chuẩn cho các mạch bên trong IC LM3524.

2 Bộ tạo dao động (oscillator)

Trong sơ đồ trên ta cũng thấy LM3524D có một bộ dao động bên trong Tần

số của bộ dao động phụ thuộc vào điện trở ngoài RT (chân 6 nối với RT )và tụ CT (chân7) Đồ thị RT, CT ảnh hưởng đến tần số bộ dao động như hình sau:

Độ rộng xung dao đông ở đầu ra có thể thay đổi khi thay đổi giá trị R, C ngoàinhư trong hình sau:

Trong đó những giá trị nên dùng trong khoảng của RT là 1.8 K tới 100 k

CT từ 0.001 uF tới 0.1 uF

Duty cycle được tính toán theo tỷ lệ phần trăm của mỗi đầu ra bật - thời gian

do bộ dao động Đặt những đầu ra song song có thể quan sát duty cycle

Đầu vào của Error Amplifier chung có điện áp từ 1.5 V – 5.5 V

Chú ý điện áp đầu vào đm cần dùng từ -0.7 V tới +1.0 V.

5.Các chân ra

Đầu ra (out put) của LM3524 (chân 11,12,13,14) là các chân của tranzitoNPN, có dòng cực đại cỡ 200 mA, nhiệt độ max 180 ° như trong hình sau:

Các mạch ứng dụng:

1 Mạch điều chỉnh dương tăng theo bước

2.Mạch điều chỉnh dương giảm theo bước.

3 Mạch tăng dòng đảo theo bước.

Lý thuyết điều chỉnh chuyển mạch cơ bản và ứng dụng

Mạch điều chỉnh cơ bản giảm theo bước được thấy như trong hình 12, cùngvới một thiết kế mạch thực hành sử dụng LM3524D trong hình 15:

Mạch làm việc như sau : Q1 được sử dụng như một công tắc khoá mở để điềukhiển bộ điều chế chiều rộng xung Khi Q1 ON, dòng qua L1 tăng; VA xấp xỉ VIN,D1 là chống xả ngược, Co để bù điện áp Khi Q1 OFF điện áp qua cuộn cảm L1 bịcắt, dòng sẽ giảm xuống, VA = 0 Co lọc đa cho cho một DC sạch đầu ra Theo kinhnghiệm ttốt nhất thường để I = 40 % x Io.

Từ quan hệ :

Điện áp ra tính theo :

Trong đó TON và TOFF tính theo công thức:

Công suất:

Hiệu suất :

Quan hệ L1 với điện áp :

Tính toán tụ bù Co :

Một mạch ứng dụng đầy đủ điều chỉnh chuyển mạch giảm theo bước sử dụngLM3524 được minh họa trong hình sau:

Hai tranzito Q1 và Q2 nối tầng được thêm vào để khuếch đại cho đầu ra tới 1A.Điện áp điều chỉnh 5V của LM3524 được chia cho bộ error amplifier vào đầu non-inverting chung Từ mỗi đầu ra tranzito có dòng trong khoảng 1/2 chu kỳ, thực sự là

45 % Nếu chúng được ghép song song thì duty cycle có thể lên tới 90 % độ rộngxung Điện áp đầu ra được tính theo:

VNI là điện áp ở bộ error amplifier vào đầu non-inverting

Điện trở R3 đặt giới hạn dòng :

Sau đây là bảng thông số của mạch điều chỉnh chuyển mạch giảm theo bước:

Mạch điều chỉnh chuyển mạch tăng theo bước :

Hình trên cho thấy mạch cơ bản cho một bộ điều chỉnh tăng theo bước Trongmạch này Q1 đợc sử dụng như một công tắc khoá mở để xen kẽ cho VIN qua cuộncảm L1 Trong thời gian, TON, Q1 khoá và năng lượng từ VIN qua L1 D1 chống xảngược khi Vin nhỏ, Co để bù điện áp Khi Q1 mở, tức TOFF dòng qua Q1 về GND Đồ thị dòng và áp ra ngược với mạch điều khiển giảm :

Các thông số khác cũng được định nghĩa tương tư mạch điều khiển giảmchuyển mạch theo bước

Tính toán mạch:

Hiệu suất tối đa:

Tính toán tụ Co, điên cảm L1 :

Ta có:

Trong đó :

Suy ra :

Trong hình sau nếu điện áp chuẩn 5V được chia đều cho 2 chân VIN thì :

Sơ đồ mạch:

Các đặc điểm kỹ thuật:

`