CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH CÁC YÊU CẦU CỦA TẢI VÀ ĐỘNG CƠ
3.8. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ HỘP SỐ
3.8.1. Tính chọn động cơ
- Chọn hệ số dự trữ
k = 1,4
- Công suất định mức động cơ
Pđm = Pđt ×1,4 = 6,79 × 1,4 = 9,506 (W)
- Momen điện từ định mức động cơ
Trang 24
3.8.2. Lựa chọn động cơ
- Chọn động cơ DC nam châm vĩnh cửu C23-L33-W20 của hãng Moog.
Hình 3. 10 - Động cơ C23-L33-W20
- Thơng số của động cơ:
Công suất định mức 𝑃đ𝑚 = 20 W
Điện áp định mức 𝑈đ𝑚 = 12 V
Tốc độ định mức 𝜔đ𝑚 = 225 rad/s
Dòng điện định mức 𝐼đ𝑚 = 4,3 A
Momen xoắn cực đại 𝑇𝑒𝑚𝑚𝑎𝑥 = 0,883 N.m
Momen định mức 𝑇𝑒𝑚đ𝑚 = 0,09 N.m Điện cảm 𝐿𝑎 = 0.94 mH Điện trở 𝑅𝑎 = 1 Ω Hằng số động cơ 𝐾𝑀 = 0,03 Nm/A Hệ số tắt dần B = 5.10−5 N.m.s Momen quán tính 𝐽 = 155. 10−6𝑘𝑔. 𝑚2
Trang 25
3.8.3 Chọn hộp số cho động cơ
- Động cơ có tốc độ định mức dmlà 225 rad/s và momen định mức 𝑇𝑒𝑚đ𝑚 là 0.09 N.m trong khi tốc độ yêu cầu để kéo tải là max= 20 rad/s và momen tải tối đa yêu cầu là Tmax = 0.445 N.m nên ta cần lắp thêm hộp số cho động cơ để giảm tốc độ và đồng thời tăng momen động cơ.
- Hệ số giảm tốc 225 11.25 20 dm t n = = =
- Chọn hộp số loại TG112-10A của hãng Ondrivesus với tỉ số 10:1
Trang 26
- Thông số của hộp số:
Tỷ lệ 10:1
Đường kính trục đầu vào 8mm
Đường kính trục đầu ra 12mm
Loại Trong dòng
Mơ-men xoắn đầu ra tại 3000 vịng / phút 4,10 Nm
Trọng lượng 1,5kg
Vật chất Phèn / thép
Chiều cao rãnh nhập liệu 2mm
Chiều dài hộp 52,00mm
RPM đầu vào tối đa 3.000
Chiều rộng phím đầu ra 4mm
Chiều dài phím đầu vào 10mm
Chiều dài trục đầu vào 16mm
Chiều dài trục đầu ra 24mm
Đường kính hộp 112mm
Chiều rộng phím đầu vào 2mm
Chiều cao phím đầu ra 4mm
Chiều dài phím đầu ra 15mm
Bảng 2 - Thông số của hộp số
- Từ các thông số của động cơ ta chọn hộp số phù hợp với động cơ có hệ số là 10:1 từ đó ta có các thơng số động cơ sau hộp số như sau:
+ Tốc độ định mức sau hộp số: 225
22.5 10
dm
= = > max=20 (thỏa mãn yêu cầu) + Momen định mức sau hộp số Tdm =0.09 10 =0.9> Tmax=0.445 (thỏa mãn yêu cầu)
Trang 27
3.9. LỰA CHỌN CẢM BIẾN
3.9.1 Cảm biến tốc độ
- Chọn Encoder loại Omron E6B2 – CWZ6C 2000 xung
Hình 3. 12 - Encoder Omron E6B2 – CWZ6C
- Thông số kĩ thuật:
Pha đầu ra A, B và Z
Tối đa tốc độ cho phép 628 rad/s
Thời gian tăng và giảm xung 1s
Đường kính trục 6mm
Đường kính thân 40mm
Điện áp hoạt động 5-24VDC
Dòng tiêu thụ max 80mA
Tần số đáp ứng 100 KHz.
Tiêu chuẩn IEC 60529 IP50
Chiều dài cable 2m
Trang 28
Nhiệt độ làm việc -10 ~ 70C
Độ ẩm làm việc (% RH) 35%-85%
Là loại tương đối
Loại ngõ ra NPN cực thu hở (cần mắc trở kéo lên
VCC để tạo mức cao (High))
Bảng 3 - Thông số Encoder
- Kiểm tra lại:
Tối đa tốc độ cho phép của encoder là 628 rad/s > max= 20 rad/s
3.9.2. Cảm biến dòng điện
- Chọn cảm biến dòng điện Hall ACS712 5A sử dụng ic ACS712ELC-5B dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị điện thế.
Trang 29
- Thông số kỹ thuật:
Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp
Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào
5µs.
Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ.
Nguồn 5VDC.
Điện áp ra cực kỳ ổn định.
Dòng đo -5A đến 5A
Độ nhạy 180 – 190 mV/A.
Bảng 4 - Thơng số cảm biến dịng điện
- Kiểm tra lại: Tối đa dòng cho phép đến 5A và dòng điện định mức của động là là
Iđm = 4,3 A (thỏa mãn u cầu)
3.10. HỒN THIỆN HỆ THỐNG
Hình 3. 14 - Sơ đồ hệ thống truyền động tổng quát
Hệ thống bao gồm:
➢ Nguồn DC: Nguồn AC qua chỉnh lưu không điều khiển, đầu ra 12V DC
➢ Bộ băm xung áp: Mạch cầu H
➢ Động cơ: Động cơ C23 – L33 – W20
➢ Cảm biến: Encoder 2000 xung, cảm biến dòng 5A
Trang 30
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN VÀ MẠCH CẦU H 4.1. MẠCH NGUỒN
4.1. 1. Giới thiệu chung
- Các ổ cắm điện cung cấp dòng điện AC xoay chiều, trong khi động cơ lại sử dụng nguồn một chiều DC để hoạt động. Như vậy chúng ta phải thiết kế mạch nguồn để chuyển đổi từ nguồn xoay chiều ra điện áp một chiều và cung cấp cho các động điện đúng điện áp để hoạt động.
- Chúng em sẽ chọn thiết kế mạch nguồn +12V cho động cơ hoạt động và +5V để các cảm biến, vi điều khiển hoạt động.
4.1.2. Sơ đồ tổng quát của mạch nguồn:
- Gồm có 4 khối cơ bản như sau:
Hình 4. 1 - Sơ đồ tổng quát mạch nguồn
4.1.3. Biến áp
- Khối đầu tiên của mạch có nhiệm vụ biến đổi từ điện áp xoay chiều U1 này thành điện áp xoay chiều U2 khác để phù hợp với cấp điện áp cần sử dụng
- Khối này gồm máy biến áp là một thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi.
Trang 31 - Máy biến áp đối xứng là máy biến áp mà cuộn thứ cấp có hai cuộn dây cuốn chung tại một điểm với tỷ số vòng dây bằng nhau
- Chọn linh kiện: máy biến áp 220V→15V 5A
Hình 4. 2 - Máy biến áp
- Điện áp hiệu dụng của trước khi có máy biến áp
U1 = 220 V
- Điện áp hiệu dụng sau khi có máy biến áp
U2 = 15V
4.1.4. Mạch chỉnh lưu
- Khối thứ hai có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành một điện áp một chiều UT khơng bằng phẳng (có giá trị thay đổi nhấp nhơ).
- Khối này là mạch chỉnh lưu tồn sóng gồm 4 diode mắc theo hình cầu (diode cầu).
- Diode là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dịng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại
Trang 32
- Nguyên lý hoạt động
Hình 4. 4 - Nguyên lý hoạt động
+ Trong nửa chu kỳ (+) của diode dạng sóng AC đầu vào D1 và D2 được phân cực thuận, D3 và D4 phân cực ngược. Khi điện áp được đến điện áp ngưỡng của D1 và D2 lúc này dòng tải sẽ được đi qua như hiển thị ở hình với đường dẫn màu đỏ.
+ Ở nửa chu kỳ (-) của dạng sóng AC đầu vào, Diode D3 và D4 sẽ được phân cực thuận, D1 và D2 phân cực ngược. Dòng tải lúc này sẽ chạy qua D3 và D4.
Chúng ta có thể thấy với cả 2 chu kỳ của điện áp AC đầu vào thì hướng dịng tải đều giống nhau khi đi qua diode và đều theo 1 hướng, có nghĩa là dịng điện đi theo 1 chiều. Do đó, bằng việc sử dụng 1 bộ chỉnh lưu cầu thì dịng điện xoay chiều AC đầu vào sẽ được chuyển đổi thay dòng điện 1 chiều DC.
- Điện áp sau khi chỉnh lưu:
2 2 2 2 2.15 13.5( ) T U U V = =
- Giá trị trung bình dịng điện qua diode:
4.3 2.15 2 2 dm d I I = = = (A)
- Điện áp khóa và áp ngược cực đại đặt lên diode:
2 2 15 2
d
Trang 33
- Chọn linh kiện: diode cầu 25A 1000V
Hình 4. 5 - Diode cầu
4.1.5. Bộ lọc
- Khối tiếp theo có nhiệm vụ san bằng điện áp nhấp nhô UT thành điện áp UO1 bằng phẳng hơn.
- Bộ lọc này gồm những tụ lọc có trị số từ vài trăm đến vài ngàn µF, nếu tụ có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng. Cịn có thêm các tụ gốm có điện dung nhỏ để lọc nhiễu.
- Chọn linh kiện: Tụ hóa 63V 10000 µF, tụ gốm 100nF
- Giả sử sau khi lọc điện áp hồn tồn bằng phẳng thì
1 2 2 15 2
O
U =U = (V)
Trang 34
4.1.6. Ổn áp
- Bộ ổn áp có nhiệm vụ cố định điện áp đầu ra của nó UO2 khi UO1 thay đổi theo sự mất ổn định của UO1 hay IT
- Khối này gồm các IC ổn áp là loại IC cung cấp điện áp ngõ ra với giá trị ổn định mặc dù điện áp ngõ vào IC thay đổi liên tục và thiếu sự ổn định
- Chọn linh kiện: Mạch nguồn cần cung cấp điện áp cố định thì sẽ sử dụng IC ổn
áp cho mức điện ra cố định như:
+ Ổn áp +12V – 5A: IC LM338K
dùng ổn định điện áp 12v ngõ ra, với ngõ vào cực đại là 35v cực tiểu là 4.2v
Trang 35 + Ổn áp +5V - 1A: IC LM7805
dùng ổn định điện áp 5v ngõ ra, với ngõ vào cực đại là 18v cực tiểu là 7v
Hình 4. 8 - IC 7805
4.1.7. Sơ đồ chi tiết
Trang 36
4.2. MẠCH CẦU H
- Từ đồ thị các điểm làm việc của động cơ ta thấy động cơ làm việc trên 4 góc phần tư nên cần phải chọn bộ băm xung áp phù hợp để động cơ hoạt động tốt được. Trong trường hợp này nhóm chọn mạch cầu H để làm bộ băm xung áp như hình vẽ.
Hình 4. 10 - Sơ đồ ngun lí mạch cầu H
- Nguyên lý hoạt động: Mạch cầu H được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ
một chiều hoạt động theo mong muốn của mình. Nó có thể điều khiển được tốc độ động cơ và đảo chiều động cơ.
- Muốn động cơ quay theo chiều thuận ta điều khiển các khóa van trong mạch cầu, như hình trên ta đóng 𝑆𝑊1, 𝑆𝑊4 và mở 𝑆𝑊3, 𝑆𝑊2 khi đó điện áp 𝑉0 cấp cho động cơ ở chiều thuận nên động cơ quay theo chiều thuận.
- Ngược lại nếu mở 𝑆𝑊1, 𝑆𝑊4 và đóng 𝑆𝑊3, 𝑆𝑊2 thì khi đó điện áp cấp cho động cơ 𝑉0 có chiều ngược lại với điện áp cấp động cơ nên động cơ quay theo chiều nghịch.
- Để điều khiển tốc độ động cơ hay nói cách khác là điện áp cấp cho động cơ thì ta điều khiện lượng xung cấp cho các van của mạch cầu H, tùy theo yêu cầu mong muốn của động cơ mà dẽ điều khiển lượng xung khác nhau cho mạch.
Trang 37
- Chọn linh kiện mạch cầu H:
+ Chọn Mosfet cơng suất
Điện áp và dịng điện vào bộ biến đổi:
𝑉𝑖𝑛 = 12𝑉 , 𝐼𝑖𝑛 = 5𝐴 Điện áp và dòng điện ra bộ biến đổi lớn nhất:
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 12𝑉, 𝐼𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 5𝐴 Điện áp ngược trên Mosfet:
𝑉𝑛𝑔𝑚 = 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 12𝑉 Dòng điện ngược trên Mosfet:
𝐼𝑛𝑔𝑚 = 𝐼𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 5𝐴 ⇒ Chọn loại Mosfet IRF6609
- Thơng số kỹ thuật:
Loại gói DirectFET MT
Loại transistor Kênh N
Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn
20V
Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn
± 20V
Dòng cực máng liên tục tối đa 31A
Dịng cực máng xung tối đa 250A
Cơng suất tiêu tán tối đa là 89W
Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn 2V đến 4V
Nhiệt độ bảo quản và hoạt động tối đa -40 đến +150 độ C.
Trang 38
Hình 4. 11 - IRF6609
+ Chọn diode mắc ngược
Điện áp ngược trên Diode:
𝑉𝑛𝑔𝑑 = 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 12𝑉 Dòng điện ngược trên Diode:
𝐼𝑛𝑔𝑑 = 𝐼𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 5𝐴 ⇒ Chọn loại Diode RHRP1512
- Thông số kỹ thuật:
Loại gói TO-220
Loại diode diode chuyển mạch nhanh silicon
epitaxial Điện áp ngược lặp lại tối đa là 1200 V Dịng chỉnh lưu trung bình tối đa là 15A
Công suất tiêu tán tối đa là 100W
Điện áp ngược là 1200V
Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là -65 đến +175 độ C.
Trang 39
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN
- Bộ điều khiển có nhiệm vụ tính tốn, xuất ra tín hiệu điều khiển cần thiết để xuất ra xung pwm để kích vào các van của mạch cầu H, nhằm tạo ra điện áp cấp cho động cơ để hoạt động theo tốc độ yêu cầu.
- Từ giá trị vận tốc đặt ban đầu và các tín hiệu tốc độ, dịng điện phản hồi về từ các cảm biến, bộ điều khiển sẽ thực hiện tính tốn dựa trên mơ hình tốn học đã xây dựng sẵn để đưa ra điện áp điều khiển chính xác cho động cơ.
5.1. MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ
Hình 5. 1 - Sơ đồ nguyên lí và thay thế động cơ 1 chiều kích từ độc lập
- Phương trình điện áp mạch phần ứng:
𝑉𝑎(𝑡) = 𝑒𝑎(𝑡) + 𝑅𝑎𝑖𝑎(𝑡) + 𝐿𝑎𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑡 - Suất điện động cảm ứng trong roto:
𝑒𝑎 = 𝐾𝑒∅𝜔(𝑡) = 𝐾𝑏𝜔(𝑡) - Phương trình momen điện từ:
𝑇𝑒(𝑡) = 𝐾𝑀∅𝑖𝑎(𝑡) = 𝐾𝑡𝑖𝑎(𝑡) - Phương trình mơ tả quan hệ điện – cơ:
𝑇𝑒(𝑡) − 𝑇𝑙(𝑡) = 𝐽𝑑𝜔(𝑡) 𝑑𝑡
Trang 40
✓ Laplace hóa các phương trình trên:
- Phương trình điện áp phần ứng:
𝑉𝑎(𝑠) = 𝐸𝑎(𝑠) + 𝑅𝑎𝐼𝑎(𝑠) + 𝐿𝑎𝑠𝐼𝑎(𝑠) - Phương trình suất điện động cảm ứng trong roto:
𝐸𝑎(𝑠) = 𝐾𝑏𝜔(𝑠)
- Từ các phương trình trên suy ra phương trình dịng điện và tốc độ:
𝐼𝑎(𝑠) = 𝑉𝑎(𝑠) − 𝐾𝑏𝜔(𝑠) 𝐿𝑎(𝑠) + 𝑅𝑎 𝜔(𝑠) =𝐾𝑡𝐼𝑎(𝑠) − 𝑇𝑙(𝑠)
𝐽𝑠
- Từ đây ta có mơ hình tốn học động cơ như hình vẽ:
Hình 5. 2 - Mơ hình tốn học động cơ
- Áp dụng định luật bảo tồn năng lượng, ta có công suất điện đầu vào 𝑃𝑖𝑛 phải bằng tổng công suất cơ đầu ra 𝑃𝑜𝑢𝑡 và tổn hao điện do trở trong mạch phần ứng:
Với:
𝑃𝑖𝑛 = 𝐼𝑎2𝑅𝑎 + 𝐾𝑏𝐼𝑎𝜔 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑎2𝑅𝑎 + 𝐾𝑇𝐼𝑎𝜔
Trang 41 Ta có:
𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 Suy ra:
𝐾𝑏 = 𝐾𝑇
- Động cơ đã chọn chỉ cho hằng số động cơ 𝐾𝑚 do đó cần xác định các thơng số 𝐾𝑏 và 𝐾𝑇 dựa trên thông số này
- 𝐾𝑚 thể hiện khả năng chuyển đổi công suất điện thành công suất cơ của động cơ và có cơng thức: 𝐾𝑚 = 𝑇 √𝑃 = 𝐼𝑎𝐾𝑇 √𝐼𝑎2𝑅𝑎 Suy ra: 𝐾𝑏 = 𝐾𝑇 = 𝐾𝑚√𝑅𝑎 = 0.03. √1 = 0.03 - Ta có mơ hình tốn học của động cơ như hình vẽ:
Trang 42
5.2. MƠ HÌNH TỐN HỌC BỘ BIẾN ĐỔI
Hình 5. 4 - Sơ đồ mạch cầu H
- Mơ hình tốn nhằm thể hiện quan hệ giữa điện áp điều khiển đưa ra từ bộ điều khiển với điện áp đặt ở phần ứng để động cơ để chạy ở tốc độ đặt.
- Điều khiển điện áp đặt ở phần ứng động cơ bằng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM
-Điện áp vào bộ biến đổi:
𝑉𝑖𝑛 = 12𝑉 -Điện áp điều khiển:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 5𝑉 - Hàm truyền của bộ biến đổi:
𝐺(𝑠) = 𝐾𝑃𝑊𝑀 = 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑜𝑢𝑡 =
12
Trang 43 - Mơ hình tốn học của bộ biến đổi như hình vẽ:
Hình 5. 5 - Mơ hình tốn bộ biến đổi
5.3. MƠ HÌNH HĨA CẢM BIẾN
5.3.1. Phản hồi tốc độ
- Encoder có thời gian tăng và giảm của xung (rise and fall time) không đáng kể (t = 1𝜇s) nên có thể xem như khơng có khâu trễ và tốc độ đầu ra theo đúng tín hiệu phản hồi.
Hàm truyền đạt của Encoder là:
𝐻𝑠 = 1
5.3.2. Phản hồi dòng điện
- Cảm biến dịng điện hall ACS712 5A có thời gian phản hồi t =5𝜇s , ta có thể bỏ qua thời gian trễ này và mơ tả cảm biến dịng điện như một khâu khếch đại có hệ