Cầu H là một mạch điện tử cho phép đặt một điện áp trên một tải theo bất kỳ hướng nào. Mạch cầu H thường được sử dụng trong chế tạo robot và nhiều ứng dụng khác để cho phép động cơ DC chạy tiến và lùi. Các mạch điều khiển động cơ này chủ yếu được sử dụng trong các bộ chuyển đổi khác nhau như bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC, AC-AC và nhiều loại bộ chuyển đổi điện tử công suất khác. Cụ thể, một động cơ bước lưỡng cực luôn được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ có hai cầu H.
Module điều khiển động cơ L298N (mạch cầu H L298N) là một module hữu ích, phổ biến với chức năng thông dụng và giá thành rẻ. Mạch này tích hợp 2 mạch cầu H bên trong nên có thể dùng để điều khiển được 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước cỡ nhỏ và vừa. Module có gắn tản nhiệt cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh 2A. L298N
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 33
được gắn với các diode trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ.
Thông số kỹ thuật của mạch cầu H L298N:
Driver L298N tích hợp 2 mạch cầu H. Điện áp điều khiển tải: 5V-12V.
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (2A cho mỗi motor). Điện áp của tín hiệu điều khiển: 5V-7V.
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ là 75°C).
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0-36mA (ngõ ra của arduino là 20mA nên hoàn toàn có thể điều khiển được module).
Nhiệt độ hoạt động: -25°C đến 130°C.
Hình 2.22. Mạch cầu L298N.
Sơ đồ chân module L298N:
12V: là chân cấp nguồn trực tiếp cho động cơ. Có thể cấp nguồn từ 9-12V ở chân
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 34
Jumper 5V: ta chỉ cần cấp nguồn vào chân 12V là có nguồn 5V ở chân 5V, ta có
thể dùng nguồn này cấp cho các mạch điện khác.
GND: là chân GND của nguồn cấp cho động cơ. Nếu nối module với mạch điều
khiển thì phải nối GND của module và GND của mạch điều khiển chung với nhau.
Hai chân ENA và ENB: cho phép xuất điện áp ra 4 ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3,
OUT4 của module.
4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4: nhận tín hiệu từ vi điều khiển và điều khiển cho
động cơ quay. Chiều quay của động cơ phụ thuộc vào mức cao hoặc thấp tại các chân IN, ví dụ IN1 mức cao, IN2 mức thấp thì động cơ DC sẽ quay thuận và ngược lại.
4 chân OUT1, OUT2, OUT3, OUT4: ngõ ra của module.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 35 2.5.4. Động cơ DC giảm tốc
Cấu tạo của một động cơ DC giảm tốc bao gồm: động cơ và hộp giảm tốc.
Hình 2.24. Cấu tạo của một động cơ giảm tốc.
a.Tổng quan về động cơ DC
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 cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM.
Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng.
Cấu tạo động cơ DC
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh (stato) và phần động (rôto).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 36
Hình 2.25. Cấu tạo động cơ DC.
Phần tĩnh (stato)
Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh gồm có các bộ phận sau:
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 làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này và được nối nối tiếp với nhau.
Cực từ phụ: được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép
của cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.
Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong
máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép dúc. Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
Ngoài ra còn có các bộ phận khác như: Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 37
Hình 2.26. Ảnh thực tế của stato.
Phần động (rôto)
Gồm có những bộ phận sau:
Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện (thép
hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những máy cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những máy điện lớn thì lõi sắt thường được chia làm từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong máy điện nhỏ lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây
quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilôoat ) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakilit.
Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Kết cấu của cổ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 38
mm và hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp dược dễ dàng.
Các bộ phận khác như: Cánh quạt để quạt gió làm nguội máy. Trục máy để đặt lõi sắt phần ứng, cánh quạt và ổ bi.
Hình 2.27. Ảnh thực tế của rôto.
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều thực chất là máy điện đồng bộ trong đó suất điện động xoay chiều được chỉnh lưu thành suất điện động một chiều. Để chỉnh lưu suất điện động ta có hai đầu vòng dây được nối với hai phiến góp trên có hai chổi điện luôn tỳ sát vào chúng. Khi rôto quay, do chổi điện luôn tiếp xúc với phiến góp nối với thanh dẫn. Vì vậy suất điện động xoay chiều trong vòng dây đã được chỉnh lưu ở mạch ngoài thành suất điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi điện. Để suất điện động một chiều giữa các chổi điện có trị số lớn và ít đập mạch, dây quấn rôto thường có nhiều vòng dây nối với nhiều phiến góp làm thành dây quấn phần ứng và có cổ góp điện (còn gọi là cổ góp hoặc vành đổi chiều).
Ưu, nhược điểm của động cơ DC
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành...
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 39
động cơ điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.
Nhược điểm
Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
b. Hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc là một thiết bị dùng để giảm tốc độ các vòng quay. Đây là thiết bị trung gian giữa động cơ và các bộ phận khác của máy trong dây chuyền sản xuất với chức năng điều chỉnh tốc độ của động cơ điện cho phù hợp với yêu cầu.
Cấu tạo
Bên trong hộp giảm tốc có cấu tạo khá đơn giản, chúng gồm các bánh răng thẳng và nghiêng ăn khớp với nhau theo một tỷ số truyền nhất định. Thiết bị này có thể tạo nên số vòng quay phù hợp với yêu cầu người sử dụng. Tùy vào điều kiện làm việc và tính toán thì người ta sẽ thiết kế một hộp giảm tốc phù hợp với công việc.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 40
Hình 2.28. Cấu tạo hộp giảm tốc.
Tác dụng: hộp giảm tốc có 2 tác dụng chính:
Giảm tốc: vì động cơ thường có tốc độ rất cao, trong khi nhu cầu sử dụng thực tế
(tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên sẽ cần đến hộp giảm tốc để điều chỉnh vòng quay được tốc độ như ý.
Tăng tải: lắp hộp giảm tốc vào động cơ làm tăng moment xoắn, từ đó làm tăng tải
trọng và độ khỏe của trục ra hộp giảm tốc. Vai trò
Hộp giảm tốc được ứng dụng ở nhiều nghành nghề sản xuất khác nhau. Thường thấy nhiều ở trong máy móc của các nhà máy. Gần gũi và ứng dụng mà bạn dễ thấy nhất và nhiều nhất của hộp giảm tốc chính là trong động cơ, đồng hồ, xe máy…
Hộp giảm tốc không thể thiếu trong băng chuyền sản xuất thực phẩm, thức ăn gia súc, sản xuất bao bì, trong băng tải… Đặc biệt trong các máy khuấy trộn, cán thép, xi mạ, trong các hệ thống cấp liệu lò hơi. Nhìn chung, đây là thiết bị được ứng dụng rất đa dạng và giữ vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sản xuất công nghiệp.
Việc chế tạo động cơ có công suất nhỏ (để thoản mãn yêu cầu sử dụng) cần chi phí rất cao trong khi động cơ có công suất lớn thường nhỏ gọn, thiết kế đơn giản, với chi phí thấp hơn rất nhiều. Chính vì thế để phù hợp với các tiêu chí về chi phí cấu tạo nhỏ gọn, đơn giản, dễ sử dụng và bảo dưởng thì sử dụng hộp giảm tốc vẫn là phương án khả thi và tối ưu nhất.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 41 c.Động cơ giảm tốc DC
Động cơ giảm tốc DC được sử dụng nhiều để thiết kế các loại robot mô hình.Với giá thành rẻ, dễ sử dụng và mang tính chất ưu việt nên được ứng dụng rất nhiều.
Chọn động cơ giảm tốc DC để điều khiển xe chạy tới, lui, xoay trái, xoay phải. Động cơ giảm tốc DC với tốc độ hoạt động tối đa 44 mét/phút ở điện áp 6V đến 8V có thể hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về hệ thống. Điều khiển tốc độ bằng điều chế độ rộng xung thông qua chân I/O trên module. Với thiết kế đơn giản, nhỏ gọn nên nhóm đã chọn động cơ trên để thiết kế cho phần di chuyển của xe.
Hình 2.29. Động cơ giảm tốc DC.
Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động: 3V~9V (hoạt động tốt ở 6V~8V). Moment xoắn cực đại: 800gf cm min 1:48 (3V).
Tốc độ không tải: 125 vòng/phút (3V) (với bánh xe 66mm: 26m/1p), 208 vòng/phút (5V) (với bánh xe 66mm: 44m/1p).
Dòng không tải: 70mA (tối đa 250mA).
2.5.5. Giới thiệu IC 555 và mạch tạo dao động bằng IC 555. a.Giới thiệu IC 555 a.Giới thiệu IC 555
IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất. Sau đây là bảng thông số của IC 555 có trên thị trường :
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 42
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.
Hình 2.30. Các dạng hình dáng chân của IC 555 trong thực tế.
Hình dạng của IC 555 ở trong hình 1 (loại 8 chân hình tròn) và hình 2 (loại 8 chân hình vuông). Nhưng ở thị trường Việt Nam đa số là loại chân vuông.
Hình 2.31. Sơ đồ chân và sơ đồ khối IC 555.
Chân số 1 (GND): Nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là chân chung. Chân số 2 (Trigger): Đây là đầu kích, được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của
1 tầng so sánh điện áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 1/3Vcc. Nếu điện áp đặt ở chân này cao hơn 1/3 Vcc thì đầu ra sẽ bảo đảm ở mức thấp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 43 Chân số 3 (Output): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic (đầu ra). Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao, nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế mức 0 này không bằng 0V mà nó trong khoảng từ (0.35V0.75V).
Chân số 4 (Reset): Khi chân số 4 nối GND thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4
nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc.
Chân số 5 (Control Voltage): Là đầu điều khiển điện áp, dùng làm thay đổi mức
áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài, hay dùng các điện trở ngoài nối với GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối