Phần cơ khắ của mô hình MiniCIM của trường đại học Phương đông ựã
ựược thiết kế trước có sử dụng 3 loại ựộng cơ DC, nhưng ựều có chung một mức ựiện áp ựiều khiển là 24V, công suất của 3 loại ựộng cơ DC khác nhau,
ựộng cơ công suất lớn nhất là 200W và nhỏ nhất là 30W (trình bầy ở phần 3.1). Vậy ựể thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ phải phù hợp với 3 loại ựộng cơ DC trên ta nên thiết kế với ựộng cơ có công suất lớn nhất, vì nếu phù hợp với ựộng cơ công suất lớn, thì cũng phù hợp với ựộng cơ công suất nhỏ.
Như vậy, vấn ựề cần ựặt ra ở ựây là thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ
DC có công suất là 200W và ựiện áp ựiều khiển là 24V.
Thiết kế nguyên lý module ựiều khiển ựộng cơ DC
Việc thiết kế module ựiều khiển phải ựáp ứng ựược yêu cầu là ựiều khiển tốt các ựộng cơựã có sẵn trong mô hình do phần cơ khắ ựã thiết kế trước.
điều khiển ựộng cơ sẽ cần phải ựiều khiển hai thông số cơ bản là tốc ựộ
và tọa ựộ. Nhưng ựể có thểựiều khiển ựược tọa tộ và tốc ựộ chắnh xác cần có bộ phận phản hồi và bộ phận sử lý thông tin.
Thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ là phải phân tắch ựược nguyên lý làm việc và tắnh năng của linh kiện. Trên cơ sở ựó ựể chọn các thông số của linh kiện, ựảm bảo ựiều khiển ựược một cách chắnh xác, không bị quá tải, ựiều khiển ựộng cơ an toàn.
Ở công trình này ựối tượng ựiều khiển là ựộng cơ DC-24V, tắn hiệu ựiều khiển có dải ựiện áp vào từ 0 ựến 24V (do phần cơ khắ ựã thiết kế trước), và cần 3 trạng thái ựiều khiển: Quay thuận; Quay ngược; Dừng.
Dựa trên những phân tắch trên ựưa ra ựuợc sơựồ khối sau:
Hình 3.1: Sơ ựồ khối module ựiều khiển ựộng cơ DC
Phân tắch nguyên lý ựiều khiển chiều quay của ựộng cơ một chiều theo phương pháp Mạch cầu H (H Bridge) như hình 3.2 [9]: SW1 nut1 SW2 nut2 SW3 nut4 SW4 nut3 VCC MG1 MOTOR DC 1 2 Hình 3.2: Nguyên lý cầu H [9]
Sơ ựồ nguyên lý trên cho thấy:
+ đểựộng cơ chạy thuận thì nút 1 và nút 4 ựóng và nút 2 và nút 3 mở. + đểựộng cơ quay ngược ta thì nút 2 và nút 3 ựóng, nút 1 và nút 4 mở. Vậy với sơ ựồ trên ựã giải quyết ựược vấn ựề chiều quay của ựộng cơ, 2 trạng thái cấm là nút 1 nút 2 không ựược ựóng cùng một lúc; nút 3 nút 4 không ựược ựóng cùng một lúc vì khi ựó dòng ựiện sẽ không ựi qua ựộng cơ, nút bấm và ựường dây sẽ phải chịu tải với dòng ựiện rất lớn.
Thực tế mô hình không ựòi hỏi chất lượng ựiều khiển quá cao nên tôi sử dụng relay ựể giải quyết vấn ựềựảo chiều dòng ựiện cho ựộng cơ.
12V Q10 IRF250 12V PWM1 24V CS1 CS2 Q8 a1015 relay C8 104 CS3 CS4 DC1_DC1 CON2 1 2 D19 FR107 Q7 c945 D20 DIODE 1A 12V FR107D21 R24 4k7 LS1 RELAY 3 2 4 6 7 5 1 8 R55 4k7
Hình 3.3: Sơ ựồ nguyên lý ựiều khiển ựộng cơ DC
Ở nguyên lý như hình 3.3 ta thấy ựược chỉ cần một tắn hiệu ựiều khiển ta có thểựiều khiển ựược cả chiều thuận và ngược cho ựộng cơ nhờ một relay 2 cặp tiếp ựiểm. Có thểựiều khiển cuộn hút qua một tranzitor C945
Việc ựiều khiển chạy dừng của ựộng cơ do một tran trường là IRF250.
Vậy với nguyên lý như trên sẽựã ựảm bảo ựược tắnh logic của vấn ựề ựiều khiển ựộng cơ. Nguyên lý này có hai Bit ựiều khiển ựộng cơ theo tổ hợp như trong bảng 3.1.
Theo bảng trạng thái này rất an toàn cho mạch công suất vì không có trạng thái cấm.
Ưu ựiểm của nguyên lý này: Hiệu suất cao vì chỉ bị tổn hao ựiện áp qua một tầng bán dẫn; Không có trạng thái cấm nên rất an toàn cho hệ thống.
Bảng 3.1: Trạng thái ựộng cơ DC
Bit chiều Bit Chạy Trạng thái
0 0 Dừng ựộng cơ
0 1 Chạy thuận
1 0 Dừng ựộng cơ
1 1 Chạy ngược
Tắnh toán chọn linh kiện cho module ựiều khiển ựộng cơ DC:
động cơ cần ựiều khiển có công suất ựộng cơ là: 200W hoạt ựộng
ở ựiện áp 24V.
Vậy dòng ựiện ựịnh mức là 200/24 = 8.4Ampe
Dòng ựiện lúc khởi ựộng bằng 2,5 ựến 3 lần dòng ựiện ựịnh mức. Vậy dòng ựiện khởi ựộng khoảng 24A.
Trên cơ sở ựó ta có thể chọn ựược relay ựiều khiển có giá trị
khoảng 8.4*1.3 = 10.92 ≈ 11A (1.3 là hệ số an toàn)
Loại tran trường ta cần chọn là Ich ≥ 24A trở lên ựiện áp là Uch ≥
24V. Theo như sơ ựồ trên thì loại tran trường tôi chọn là IRFP250. Nếu xét về
tiêu chắ dòng ựiện và ựiện áp thì loại tran trường này ựủ tiêu chuẩn ựể có thể ựiều khiển ựược ựộng cơ như tắnh toán ở trên.
Các thông số cơ bản ựược lựa chọn trong bảng trắch dẫn (Bảng 3.2)
Vậy ta ựã chọn ựược 2 linh kiện chịu công suất là Relay và tranzitor trường IRFP250.
Theo bảng 3.2 cho thấy: Loại tran IRFP250 thông số chịu áp rất lớn, nhưng thông số dòng ựiện cũng chỉ vừa ựủ và hơn ựịnh mức tắnh toán là 9A.
Tran IRFP250 ựã ựược chúng tôi thử nghiệm và kết quả cho thấy hoạt
ựộng rất tốt trong mô hình trên. động cơ làm việc có chịu tải, phát nhiệt trên bán dẫn và tản nhiệt theo ựồng hồ ựo là 600C. Hoàn tòan trong giới hạn làm việc của linh kiện
Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của IRFP250
Như trong hình 3.4, ựể ựiều khiển ựược tran IRFP250 ta cần thêm các linh kiện hỗ trợựểựiều khiển mắc theo sơựồ:
Q10 IRF250 PWM1 Q8 a1015 Q7 c945 D20 DIODE 1A 12V R24 4k7
Hình 3.4: Nguyên lý ựiều khiển tran trường chất lượng cao
Tran trường ựiều khiển bằng áp, trong trường hợp này chỉ cần ựiều khiển ở chếựộựóng mở, cực G của tran trường là cực ựiều khiển, cực G cũng
ựược coi như một con tụ dung lượng nhỏ. Ta có thể xem thông số ựiện dung và ựộ tự cảm của tran trường ở bảng phụ lục 6.5
Vậy ựể ựiều khiển tran trường với hiệu xuất cao trong trường hợp cần phải băm xung tần số cao ta cần phải có mạch hỗ trợ nạp tụ và xả tụ thật nhanh trên cực G.
Với nguyên lý của mạch hình 3.4 ta có:
+ Q8(A1015) giúp xảựiện áp trên cực G thật nhanh.
+ Diode D20 giúp cho Q7 và Q8 không dẫn ựiện cùng một lúc.
+ R24 giúp cho khi ở mức logic thấp thì ựiện áp trên cực G = 0 hoàn toàn.
Q7 và Q8 không phải chịu công suất, nhưng lại ựòi hỏi ựộ khuếch ựại lớn. Chắnh vì vậy nên chọn những loại tran công suất bé, chịu tần số cao, và
ựộ khuếch ựại lớn. Có thể xem thông số kỹ thuật của chắnh của tran C945 và A1015 ở phụ lục 6.6 và 6.7
Cũng theo hình 3.3 trên ta ựiều khiển ựóng mở cuộn hút relay bằng tranzitor C945 R54 1k Q9 c945 relay
Hình 3.5: Tranzitor ựiều khiển relay
Cuộn hút của relay có ựiện trở trong là 200Ω, ựiện áp ựiều khiển cuộn hút là 12V. Vậy dòng ựiện qua cuộn hút là 12/200 = 0.06A = 60mA. Theo như bảng trong phụ lục 6.6 ta biết tran C945 có thể chịu ựược dòng ựiện là 100mA = 0.1A. Vậy hoàn toàn có thể sử dụng ựược tran này trong ựiều khiển relay.
Tóm lại: Qua quá trình phân tắch và tắnh toán như trên, tôi ựã ựi ựến quyết ựịnh lựa chọn 2 linh kiện phù hợp với công suất thiết kế. đó là Relay 11A và tranzitor trường IRFP250 và ựã chế tạo thành công Modul ựiều khiển
ựộng cơ DC.
Kết quả chế tạo module ựiều khiển ựộng cơ DC (hình 10)
Sau khi hoàn thành module ựiều khiển ựộng cơ DC, tôi ựã tiến hành thực nghiệm bằng cách viết một chương trình ựiều khiển cho ựộng cơ thay ựổi tốc ựộ và ựảo chiều liên tục, và cho ựộng cơ vận hành trong chếựộựó liên tục trong 12 giờ. Kết quả cho thấy ựộng cơ vẫn hoạt ựộng bình thường, nhiệt ựộ
trên tấm tản nhiệt ựo ựược khoảng 600C hoàn toàn trong giới hạn làm việc của linh kiện, trong ựó giới hạn làm việc của linh kiện là 2600C
Vậy module hoạt ựộng tốt.
Hình 3.6: Module ựiều khiển ựộng cơ DC
Module ựiều khiển ựộng cơ sau thử nghiệm có thểựiều khiển ựược
ựộng cơ 200W, ựiện áp hoạt ựộng 24V, thực hiện ựược các chức năng ựiều khiển chạy dừng và ựảo chiều quay của ựộng cơ.
Kết hợp với hệ thống ựiều khiển trung tâm, module ựiều khiển ựộng cơ
có thểựiều khiển ựược ựộng cơ DC_Secvo