4.1.3.1 Lựa chọn động cơ
Với yêu cầu về điều khiển, kích thước và công suất khối dẫn động của mô hình chúng ta sẽ xem xét lựa chọn các loại động cơ điện như sau:
- Động cơ một chiều DC
- Động cơ một chiều không chổi than BLDC - Động cơ xoay chiều 1 pha
Nguyên lý của từng loại động cơ được tham khảo trong [13]. Dưới đây là bảng mô tả ưu nhược điểm của từng loại động cơ:
STT Động cơ Ưu điểm Nhược điểm
1 Một chiều DC
Điều chỉnh tốc độ tốt. Khả năng chịu quá tải. Mạch điều khiển rẻ, dễ điều khiển
Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.
Hiệu suất cao do sử dụng rôto nam châm vĩnh cửu.
Dải tốc độ rộng. Dải công suất rộng.
Giá thành vừa phải. Cấu tạo phức tạp, khó bảo dưỡng do sử dụng cổ góp.
Gây nhiễu khi điều khiển.
2 Một chiều không chổi than BLDC
Điều chỉnh tốc độ tốt. Khả năng chịu quá tải Đáp ứng động nhanh do quán tính nhỏ.
Hiệu suất cao do sử dụng rôto nam châm vĩnh cửu.
Tuổi thọ cao do không có chuyển mạch cơ khí. Không gây nhiễu khi hoạt động.
Giá thành rất cao. Mạch điều khiển phức tạp, khó điều khiển.
Dải tốc độ rộng. Dải công suất rộng.
3 Xoay chiều 1 pha
Giá thành rẻ. Hiệu suất cao. Dễ dàng lắp đặt. Cấu tạo đơn giản, bền
Dải tốc độ không rộng.
Dải công suất hẹp.
Bảng 4-2: Bảng so sánh các loại động cơ
Từ kết quả so sánh của Bảng 4-2 ta sẽ lựa chọn động cơ một chiều DC cho mô hình
4.1.3.2 Phương pháp điều khiển điện áp
Như đã trình bày trong CHƯƠNG 3 lực điều khiển được tính theo (N) tuy nhiên do luận văn không xét đến phương án sử dụng các cảm biến lực nên lực điều khiển sẽ được quy đổi sang lực điện (thông qua điện áp). Ngoài ra việc quy đổi sang lực điện cũng hoàn toàn thỏa mãn phương pháp điều khiển PID.
Trong phạm vi của luận văn này chúng ta sẽ chỉ xét đến phương pháp điều khiển điện áp động cơ điện một chiều sử dụng PWM.
Phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm. PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha... PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định.
Nguyên lý hoạt động của PWM là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn của tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn. Chúng ta tham khảo Hình 4-15 để xem xét cách thức thực hiện phương pháp PWM.
Trong khoảng thời gian 0 - t0, ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian t0 – T (T là chu kì điều khiển van), cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải. Giá trị điện áp trung bình cho tải được tính theo công thức:
U = U (V) (4.9)
Trong đó:
Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
Hình 4-11: Sơ đồ quan hệ giữa xung kích MOSFET và đầu ra
Vậy tỉ số t0/T quy định u(t) của động cơ, muốn điều khiển điện áp cho động cơ ta chỉ cần điều chỉnh tỉ số này.
4.1.3.1 Lựa chọn mạch cô * Mạch dùng cầu H Xét một cách tổng quát chữ H. Hình 4-1 Bằng cách điều khiển ch động cơ một chiều dừng 1 3
ng suất của động cơ
mạch cầu H là mạch gồm 4 công tắc được
Hình 4-12: Mạch cầu H tổng quát
(a) (b)
13: Nguyên lí đảo chiều động cơ của cầu H ho các công tắc này đóng mở mà ta có thể đ
hay chạy theo chiều mong muốn. Thực tế c
1 2 3 4 2 4 1 2 3 4 c mắc theo hình
điều khiển được ác công tắc này
sẽ được thay thế bằng MOSFET, Transistor hay rờle. Bảng dưới đấy mô tả trạng thái động cơ ứng với trạng thái các công tắc. Các trường hợp chỉ 1 công tắc đóng ( có dòng điện chạy qua) không được xét đến bởi động cơ lúc đó sẽ dừng lại. Ngoài ra các cặp công tắc cùng phía (1,3) hoặc (2,4) không được phép đóng đồng thời do sẽ dẫn đến hiện tượng ngắn mạch.
STT Công tắc 1 Công tắc 2 Công tắc 3 Công tắc 4 Chiều động cơ
1 Đóng Mở Mở Đóng Chạy như Hình 4-13(a) 2 Đóng Đóng Mở Mở Phanh động cơ 3 Mở Mở Đóng Đóng Phanh động cơ 4 Mở Đóng Đóng Mở Chạy như Hình 4-13(b)
Mở: Không có dòng điện chạy qua. Đóng: Có dòng điện chạy qua
Bảng 4-3: Trạng thái động cơ theo các công tắc cầu H
Trong thực tế các công tắc được thay thế bằng các MOSFET để đảm bảo công suất và tốc độ cho mạch.
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 4-14 mô tả cấu tạo của MOSFET kênh N và kí hiệu của nó.
Hình 4-14: MOSFET kênh N
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S). Đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng. Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G, MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).
MOSFET thường được dùng trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Hình 4-15 mô tả ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC.
Hình 4-16: Mạch cầu H dùng MOSFET
* Mạch dùng MOSFET và Rơle
Xét ví dụ ở Hình 4-15 có sử dụng MOSFET để điều khiển động cơ, có thể thấy cách làm này rõ ràng chỉ có thể điều khiển động cơ quay một chiều. Muốn đảo chiều thì phải lắp tới 4 MOSFET theo Hình 4-16, cách này sẽ khá tốn kém. Chúng ta sẽ xét tới một thiết kế khác sử dụng một rờ le và một MOSFET.
Hình 4-17: Mạch điều khiển động cơ dùng MOSFET và Rờle
Với thiết kế này việc điều khiển điện áp cho động cơ vẫn phụ thuộc vào Vgs của MOSFET giống như cầu H. Tuy nhiên quá trình đảo chiều lại được thực hiện bởi rờle LS5. Mạch có thiết kế khá đơn giản nhưng có nhược điểm là tốc độ đảo chiều
24V Q1 IRF540N/TO Q2 IRF540N/TO Q3 IRF540N/TO Q4 IRF540N/TO MOTOR_OUT1 GNDP MOTOR_OUT2 C6 470uF/50V GNDP BX2 D32 DIODE GNDP 12V R52 R 12V ROLE1 R53 100 ROLE1 Q17 IRF540N/TO R54 10K D33 1N5408 LS5 3 2 4 6 7 5 1 8 24V D34 BX1 D35 LED 12V PG4 D36 LED PG3 VCC BX1 C136 104 J102 DCCN1 1 2 Q18 C1815 ISO9 1 2 4 3 BX2 ISO10 1 2 4 3 R55 100 R56 10K Q19 D468 Q20 B562 BX3 BX4 12V C R57 A331 1 2 3 4 5 download by : skknchat@gmail.com
thấp (đảo chiều nhanh sẽ dẫn tới hiện tượng trùng dẫn làm cháy MOSFET), không tạo ra được trạng thái hãm như cầu H. Ngoài ra công suất của mạch không cao do phụ thuộc vào khả năng chịu tải của rờ le.
* So sánh 2 phương pháp
STT Mạch điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
1 Cầu H Công suất lớn Tốc độ đảo chiều nhanh. Điều khiển dễ dàng. Có trạng thái hãm. Mạch công suất phức tạp. 2 MOSFET và rờ le
Giá rẻ hơn, mạch đơn giản
Không có trạng thái hãm
Công suất phụ thuộc vào khả năng chịu tải của rờ le.
Tốc độ đảo chiều thấp nên điều khiển khó khăn hơn.
Bảng 4-4: So sánh các mạch công suất cho động cơ DC
Với so sánh kể trên kết hợp yếu tố cần đảo chiều nhanh của mô hình (dao động quanh vị trí cân bằng) chúng ta lựa chọn mạch cầu H làm mạch công suất cho động cơ DC.