THIẾT kế điều KHIỂN ĐỘNG cơ điện 1 CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Mục lục I II Chọn đề tài Thiết kế, chế tạo 2.1 Giới thiệu phương pháp PWM 2.2 Nguyên lý phương pháp PWM 2.3 Dùng IC NE555 để tạo PWM để điều khiển 2.4 Một vài ứng dụng bật PWM điều khiển động III Thiết kế mạch 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch 3.1.1 Khối nguồn 3.1.2 Khối điều khiển 3.1.3 Khối chấp hành 3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch IV Giới thiệu linh kiện 4.1 Điện trở 4.2 Tụ điện 4.3 IC 7805 4.4 NE555 4.5 IC L298 I CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, kĩ thuật điện tử đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng kĩ thuật điện tử hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hoá cho trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển kĩ thuật điện tử đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung môn học kĩ thuật điện tử chúng em giao thực đề tài: “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ” Với hướng dẫn Thầy: chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO Giới thiệu phương pháp PWM II 2.1 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 Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm động hay cao cịn 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 công suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương sườn âm Hình 2.1- Dạng xung PWM 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 = (t1/T).100 (%) 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.(t1/T) = 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 * Ưu nhược điểm mạch PWM làm mạch điều khiển động DC Ưu điểm - Transistor lối có hai trạng thái (ON OFF) loại bỏ mát lượng đốt nóng hay lượng rò rỉ lối Dải điều khiển rộng so với mạch điều chỉnh tuyến tính - Tốc độ mô tơ quay nhanh cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với cấp điện áp tương đương với điện áp trung bình chuỗi xung PWM Nhược điểm - Cần mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao - Các xung kích lên Volt gây nên tiếng ồn mô tơ không gắn chặt tiếng ồn tăng lên gặp phải trường hợp cộng hưởng vỏ - Ngoài việc dùng chuỗi xung điều chế PWM làm giảm tuổi thọ mô tơ 2.2 Nguyên lý phương pháp PWM 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 Xét hoạt động đóng cắt van bán dẫn Dùng van đóng cắt transistor Hình 2.2.1- Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải Hình 2.2.2- Đồ thị xung van điều khiển đầu Trên mạch nguyên lý điều khiển tải PWM giản đồ xung chân điều khiển dạng điện áp đầu dùng PWM + Nguyên lý: Trong khoảng thời gian - to ta cho van G mở toàn điện áp nguồn Ud đưa tải Còn khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì với to thay đổi từ T ta cung cấp toàn bộ, phần hay khóa hồn tồn điện áp cung cấp cho tải + Cơng thức tính giá trị trung bình điện áp tải : Gọi to thời gian xung sườn dương (khóa mở )cịn T thời gian sườn âm dương, Umax điện áp nguồn cung cấp cho tải.==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D với D = t1/T hệ số điều chỉnh tính %Như ta nhìn hình đồ thị dạng điều chế xung ta có : Điện áp trùng bình tải : + Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%) + Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%) + Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 2.3 Dùng IC NE555 để tạo PWM để điều khiển Để tạo PWM có hai cách thơng dụng : Bằng phần cứng phần mềm Trong phần cứng tạo phương pháp so sánh từ trực tiếp từ IC dao động tạo xung vuông : 555, LM556 Trong phần mềm tạo chip lập trình Tạo phần mềm độ xác cao tạo phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM - Tạo phương pháp dùng IC dao động Như biết có nhiều IC tạo trực tiếp xung vng mà khơng cần phải tạo tín hiệu tam giác làm tích hợp sẵn hết ta việc lắp vào xong Tơi lấy ví dụ dùng dao động IC555 IC vừa đơn giản lại dễ kiếm Hình 2.3 Mạch tạo xung đơn giản dùng NE555 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 xungvuông khác 2.4 Một vài ứng dụng bật PWM a PWM điều khiển động Điều mà dễ nhận thấy PWM hay sử dụng động để điều khiển động nhanh, chậm, thuận, nghịch ổn định tốc độ cho Cái ứng dụng nhiều điều khiển động chiều, sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động DC là: Hình 2.4a- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động DC Đây mạch đơn giản điều khiển động Nếu muốn điều khiển động quay thuận quay ngược phải dùng đến cầu H b Trong biến đổi xung áp Trong biến đổi xung áp PWM đặc biệt quan trọng việc điều chỉnh dòng điện điện áp tải Bộ biến đổi xung áp có nhiều loại biến đổi xung áp nối tiếp biến đổi xung áp song song Lấy mạch nguyên lý đơn giản nguồn Boot đơn giản Đây mạch nguyên lý Hình 2.4b- Sơ đồ mạch nguyên lý mạch nguồn Boot Đây nguyên lý mạch nguồn Boot Dùng xung điều khiển để tạo tích lũy lượng từ trường để tạo điện áp tải lớn điện áp vào Ngồi PWM cịn sử dụng chuyển đổi DC -AC , hay biến tần, nghịch lưu 10 Một động DC quay thuận quay nghịch tùy thuộc vào cách mắc cực âm dương cho motor Ví dụ, động DC có hai đầu A B Nếu nối A vào cực dương (+) B vào cực âm (-) nguồn động quay theo chiều thuận (giả sử chiều kim đồng hồ) Và nối ngược lại, A vào (-) B (+), động quay nghịch (giả sử ngược chiều kim đồng hồ) Tương tự, ta đống S1 S4, ta cho A nối với cực dương (+) nối B với cực âm (-) nguồn, dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động qua S4 mass làm động quay theo chiều thuận Mơ hình mạch cầu H 15 Ngược lại, ta đóng S2 S3, động quay nghịch Như vậy, ta mạch cầu H dùng để đảo chiều động *Lưu ý, khơng phép đóng lúc S1 S2 S3 S4 chí đóng lúc cơng tắc Nếu làm tạo 16 đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND gây tượng ngắn mạch Mạch nguồn bị hỏng nghiêm trọng gây cháy nổ mạch Vậy đóng lúc S1 S3 S2 S4 đầu A, B động nối với mức điện áp, khơng có dịng điện chạy qua, mạch cầu H không hoạt động Đây coi cách “thắng” động (nhưng khơng phải lúc có tác dụng) Nói chung, nên tránh trường hợp xảy ra, muốn mạch cầu khơng hoạt động nên mở tất khóa thay dùng trường hợp Sau nắm nguyên lý hoạt động mạch cầu H, phần khảo sát cách thiết kế mạch loại linh kiện cụ thể Thành phần mạch cầu H “khóa”, việc chọn linh kiện để làm khóa phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ đối tượng Và mạch em dùng ic l298 3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 17 Nguyên lý hoạt động: Điện áp đầu vào sau qua biến áp áp xuống từ 220V AC-50Hz xuống 5V AC Tiếp theo qua cầu diode để chuyển từ điện áp xoay chiều thành chiều Điện áp 5V DC yêu cầu điện áp mạch 5V DC lên ta cho qua IC ổn áp 7805 để ổn định điện áp khoảng 5v DC để cấp cho mạch hoạt động 18 Sau chỉnh lưu ổn áp điện áp cịn nhấp nhơ ta cho qua tụ để san phẳng điện áp Tụ điện có điện dùng lơn điện áp đầu phẳng với tụ phân cực ta dùng thêm tụ gốm để lọc nhiễu cao tần Mạch tạo tín hiệu ic ne555 ic tạo dao động tụ, phát xung vng ta điều chỉnh độ rộng xung cách thay đổi giá trị điện trở biến trở Về phần mạch lực em dùng ic l298 để đảo chiều động Xung từ chân NE555 nối với chân chân qua công tắc chân để tùy chọn quay ngược quay xuôi IV GIỚI THIỆU LINH KIỆN 4.1 Điện trở a) Khái niệm ,cấu tạo ,kí hiệu Khái niệm: Điện trở linh kiện điện tử thụ động, dùng để cản trở dòng điện Ký hiệu hình dạng: Ký hiệu hình dạng Hình 4.1 Ký hiệu hình dạng điện trở 19 Cấu tạo : Điện trở cấu tạo từ vật liệu có điển trở suất cao làm than, magie kim loại Ni-O2, oxit kim loại, dây quấn b) Phân loại Điện trở thường: điện trở thường loại điện trở có cơng suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W Điện trở cơng suất: điện trở có cơng suất lớn từ 1W, 2W, 5W, 10W Điện trở sứ, điện trở nhiệt: Là cách gọi khác điện trở cơng suất, điện trở có vỏ bọc sứ, hoạt động chúng tỏa nhiệt Điện trở dây cuốn: Loại điện trở dùng dây điện trở quấn lõi than có lớp cách điện thường sứ nhựa tổng hợp để tạo điện trở có giá trị nhỏ chịu cơng suất tiêu tán lớn Thường sử dụng mạch cung cấp điện thiết bị điện Điện trở điều chỉnh: hay gọi biến trở, giá trị điện trở thay đổi tùy ý 4.2 Tụ điện a) Khái niệm Tụ điện linh kiện điện tử thụ động có khả tích giải phóng lương lượng dạng điện trường Khái niệm hình dạng: Ký hiệu 20 Hình dạng Hình 4.2 Ký hiệu hình dạng tụ điện Tụ điện linh kiện điện tử thụ động sửdụng rộng rãi mạch điện tử, chúng sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động b) Cấu tạo Cẩu tạo tụ điện gồm hai cực đặt song song, có lớp cách điện gọi điện môi Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hố chất làm chất điện mơi tụ điện phân loại theo tên gọi chất điện môi tụ giấy, tụ gốm, tụ hố 4.3 IC 7805 Với mạch điện khơng đòi hỏi độ ổn định điện áp cao, sử dụng IC ổn áp thường người thiết kế sử dụng mạch điện đơn giản.Các loại ổn áp thường sử dụng IC 78xx,79xx, với xx điện áp cần ổn áp VD: 7805 ổn áp 5V,7812 ổn áp 12V Việc dùng loại IC ổn áp họ 78xx tương tự 21 Hình 4.3 Sơ đồ chân ic7805 Sơ đồ chân IC 7805: • • • Chân số chân IN (hình vẽ trên) Chân số chân GND (hình vẽ trên) Chân số chân OUT (hình vẽ trên) Một số thơng số kĩ thuật: Dịng cực đại trì 1A Dịng đỉnh 2.2A Cơng suất tiêu tán cực đại không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W Nếu vượt ngưỡng ý 7805 bị cháy Thực tế ta nên dùng công suất tiêu tán =1/2 giá trị Các giá trị không nên dùng gần giá trị max thông số Tốt nên dùng ≤ 2/3 max Hơn thống số áp dụng cho điều kiện chuẩn nhiệt độ 25 độ C 4.4 IC NE555 Sơ đồ chân IC NE555: 22 Hình 4.4a Sơ đồ chân IC555 + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung + Chân số 2(TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc + Chân số 3(OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1, mức cao tương ứng với gần Vcc mức tương đương với 0V mà thực tế mức ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối mass ngõ mức thấp Cịn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC + Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC NE555 theo mức biến áp hay dùng điện trở ngồi cho nối GND Chân khơng nối mà để giảm trừ nhiễu người ta 23 thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định + Chân số 6(THRESHOLD) : chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt + Chân số 7(DISCHAGER) : xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân 3.Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại, ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC NE555 dùng tầng dao động + Chân số (Vcc): chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Nó cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy loại 555 thấp NE7555) Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động: Cấu tạo: 24 - Cấu trúc IC NE555 gồm : Op-amp, điện trở, transitor, FF ( FF RS): - OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện - Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành phần Cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân Hình 4.4b: Cấu tạo bên IC NE555 Op-amp Khi điện áp âm chân nhỏ 1/3 VCC, chân S = [1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 VCC, chân R FF = [1] FF reset Nguyên lý hoạt động: Ở mạch ta bít H ỏ mức cao gần Vcc L mức thấp 0V Sử dụng FF - RS Khi S = [1] Q = [1] = Q- = [ 0] Sau đó, S = [0] Q = [1] =Q= [0] Khi R = [1] = [1] Q = [0] Khi S = [1] Q = [1] R = [1] Q = [0] Q-= [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp chân không vượt V2 Do lối Op-amp mức 0, FF không reset Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra+Rb)C * Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> Vcc/3: - Lúc V+1(V+ Opamp1) > V-1 Do Q1 (ngõ Opamp1) có mức logic 1(H) - V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do Q2 = 0(L) 25 - R = 0, S = > Q = 1, /Q (Q đảo) = - Q = > Ngõ = - /Q = > Transistor hồi tiếp không dẫn * Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do Q1 = - V+2 < V-2 Do Q2 = - R = 0, S = > Q, /Q giứ trạng thái trước (Q=1, /Q=0) - Transistor ko dẫn * Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do Q1 = Hình 4.4c: Nguyên lý hoạt động - V+2 > V-2 Do Q2 = - R = 1, S = > Q=0, /Q = - Q = > Ngõ đảo trạng thái = - /Q = > Transistor dẫn, điện áp chân xuống 0V - Tụ C xả qua Rb Với thời Rb.C - Điện áp tụ C giảm xuống tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống 2Vcc/3 * Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 Do O2 = - R = 0, S = > Q, /Q giứ trạng thái trước (Q=0, /Q=1) - Transistor dẫn * Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3: - Lúc V+1 > V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do O2 = - R = 0, S = > Q = 1, /Q (Q đảo) = - Q = > Ngõ = - /Q = > Transistor không dẫn -> chân không = 0V 26 tụ C lại nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3 Nói tóm lại bạn nên hiểu : Trong trình hoạt động bình thường 555, điện áp tụ C dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 - Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3, kết thúc nạp thời điểm điện áp C 2Vcc/3.Nạp điện với thời (Ra+Rb)C - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu 2Vcc/3, kết thúc xả thời điểm điện áp C Vcc/3 Xả điện với thời Rb.C - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện 4.5 IC L298 Sơ đồ chân ic l298 27 - Chân số 1,15 : Nối chân qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải - Chân số 2, 3: Nguồn động thứ - Chân số 4: Nguồn dương vào động - Chân số 5, 7: chân cho phép động thứ quay ngược quay xi - Chân số 6,11: Chân tín hiệu cho phép động thứ thứ hai - Chân số 8: GND - Chân số 9: Vcc 28 - Chân số 10, 12: chân cho phép động thứ hai quay ngược quay xuôi - Chân số 13, 14: Nguồn động thư hai KẾT LUẬN Trong suốt trình thực đề tài này, với nhiều cố gắng nỗ lực chúng em với hướng dẫn, bảo tận tình thầy Nguyễn Xn Cơng chúng em hồn thành đề tài Tuy nhiên số hạn chế khâu thiết kế Qua trình thực đề tài chúng em học hỏi nhiều vấn đề bổ ích Phương pháp điều khiển động phương pháp điều chế xung với PWM chúng em nâng cao khả thực hành làm mạch, tra cứu linh kiện Đặc biệt trình trực tiếp bắt tay vào làm sản phẩm cụ thể chúng em nhận thức rõ lý thuyết thực hành cịn có khoảng cách khơng nhỏ, vấn đề đặt cho em phải tìm hiểu khắc phục khúc mắc trình thực Đây hành trang quý báu cho sinh viên bước vào sống nghề nghiệp sau Mặc dù có nhiều cố gắng trình làm đồ án, song hạn chế kiến thức khả nên khơng thể tránh khỏi có sai sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để đồ án chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn! 29 ... quấn b) Phân loại Điện trở thường: điện trở thường loại điện trở có cơng suất nhỏ từ 0 ,12 5W đến 0,5W Điện trở cơng suất: điện trở có cơng suất lớn từ 1W, 2W, 5W, 10 W Điện trở sứ, điện trở nhiệt:... áp Tụ điện có điện dùng lớn điện áp đầu phẳng Hình 3 .1. 1c: Dạng sóng điện áp sau lọc tụ điện 3 .1. 2 Khối điều khiển 12 Hình 3 .1. 2a: Khối điều khiển Cơng thức tính thời gian nạp xả tụ Tụ 0 ,1 uf... dung môn học kĩ thuật điện tử chúng em giao thực đề tài: “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU CÔNG SUẤT NHỎ” Với hướng dẫn Thầy: chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài Trong trình thực