Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU I. Nguyên lý điều khiển động cơ điện 1 chiều. 1. Đặc điểm của Động Cơ một chiều: Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ. Dễ thay đổi tốc độ trong một khoảng khá rộng. Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động cơ không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ở những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ. Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp. Nếu cống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền. Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác. Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN 1 CHIỀU

I Nguyên lý điều khiển động cơ điện 1 chiều

1 Đặc điểm của Động Cơ một chiều:

Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ Dễ thay đổi tốc độ

trong một khoảng khá rộng

Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động cơ

không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ở những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ

Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp Nếu

cống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền

Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác

Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay

đổi tốc độ và dễ dàng thay đổi tốc độ, chiều quay nên các động cơ một chiều công suất nhỏ vẫn thường được sử dụng hiện nay

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động) và loại điều khiển mạch hở Hệ truyền động điều khiển tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều khiển cao và dải điều khiển rộng hơn so với hệ truyền động hở

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn phân

loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần

tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư

2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn

so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Từ phương trình tính tốc độ:

1

Φ

−

Φ

=

k

RI

k

U

uuu

ω

(1)

Suy ra : để điều chỉnh ω có thể:

- Điều chỉnh U

ư

- Điều chỉnh Rư bằng cách thêm R

p

vào mạch phần ứng

- Điều chỉnh từ thông Φ

2.1.Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm R

p

:

Mắc nối tiếp R

p

vào phần ứng, từ (1) suy ra Rư tăng lên, suy ra ω giảm, độ dốc

của đường đặc tính giảm Các đường 1,2 là đường đặc tính sau khi tăng Rư, đường TN

là đường đặc tính tự nhiên của động cơ ban đầu

ω

ω

o

TN

1

2

M

M

c

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng do thêm R

p

nên tổn hao tăng, không kinh tế

2.2.Điều khiển từ thông:

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh

moment điện từ của động cơ

u

M K I= Φ

và sức điện động quay của động cơ

u

E K

ω

= Φ

Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới

hạn của việc thay đổi từ thông Nhưng theo công thức trên khi Φ thay đổi thì mômen, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điêù khiển và mômen tải

=> phương pháp này cũng ít dùng

2.3.Điều khiển điện áp phần ứng:

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một

chiều bằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

2

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phương

trình sau:

Φ

−

Φ

=

k

RI

U

uuu

ω

Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U

u

của hệ thống,

do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 họ đường song song :

ω

ω

o

ω

1

TN

ω

2

1

2

M

M

c

Nguyên lý điều khiển:

Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp động cơ:

Mạch nguyên lý:

3

Trong đồ thị trên : i

dk

là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển

t

1

là độ rộng xung, t

2

=T-t

1

là độ rỗng xung

Ta có :

U

d

= U.t

1

/T

Để thay đổi U

d

ta thay đổi độ rộng xung điều khiển ta thay đổi thời gian đóng

mở khoá K => thay đổi thời gian có dòng t

1

trong mỗi chu kỳ T => độ rộng xung thay

đổi

Set bit K=1 (đóng) => có i

Set bit K=0 (mở) => không có i

Như vậy ta đã có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ

II.Thiết kế các mạch điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều

1 Mạch điều khiển dùng bộ đếm tiến lùi và DAC

Sơ đồ khối:

Trong sơ đồ trên tín hiệu sau bộ đếm tiến lùi là số, trong khi tín hiệu điều khiển

ĐC phải là analog Do đó ta phải dùng bộ biến đổi DAC (Digital to Analog Converter)

để chuyển tín hiệu từ số sang xung Điện áp sau DAC được qua khâu khuếch đại để có điện áp thích hợp điều khiển động cơ

Thiết kế:

DAC : Ta chọn vi mạch DAC là DAC 0808 - vi mạch chuyển đổi số - tương tự

8-bit Thời gian chuyển đổi tối đa là 150 ns Tiêu thụ công suất 33 mW với nguồn nuôi

±5V Đầu ra là dòng điện có giá trị phụ thuộc vào mã nhị phân đưa vào DAC0808 tương thích và giao tiếp được với các mức logic TTL, DTL hay CMOS Nguồn nuôi 4

của vi mạch cho phép trong khỏang từ -18V đến +18V Dòng vào so sánh là 2-5 mA Nhiệt độ làm việc bình thường là 0-75°C Trong các ứng dụng thông thường, chân 14 được nối lên điện áp so sánh Vref thông qua điện trở 5k Sơ đồ chân và cách ghép nối của DAC0808 trong mạch được trình bày ở hình sau:

Bộ đếm : 8 đầu vào số (A1 đến A8) được nối với đầu ra của bộ đếm tiến lùi Bộ

đếm ở đây là 8 bit được thành lập bằng cách nối ghép 2 IC đếm 74193 (mỗi IC là 4 bit –modun 16) ta được bộ đếm modun 16x16 =256:

5

Để khởi động cho bộ đếm ta dùng 1 D-Flip flop 74LS74 như hình vẽ Các chân

ra của bộ đếm là 3,2,6,7 được nối trực tiếp với các đầu vào của DAC Ta được các giá trị tổ hợp A1÷A8 từ 0 ÷ 255 và giá trị điện áp sau DAC được tính theo công thức: )

256

8

4

2

2

1

(

AAA

VV

refout

+++=

)

256

8

4

2

2

1

(

AAA

R

V

I

ref

ref

out

+++=

Trong mạch : V

= +5V, R

ref

= 5K

Để có Uđk động cơ ta dùng 1 bộ khuếch đại đảo LM741 sau DAC:

)

256

8

4

2

2

1

(

1

2

1/2

AAA

V

R

R

RRVU

refoutdk

+++==

Chọn R1 = 1K, R2 có thể thay đổi (để điều chình Udk ở đầu output thích hợp)

Mạch tạo xung : mạch tạo xung để tạo xung đồng bộ cho bộ đếm, đầu ra của mạch tạo xung nối với chân clk của Flip-Flop

Để tạo xung có 2 cách, ta có thể dùng thạch anh, nhưng do cần tần số xung có

thể thay đổi được ta phải thiết kế mạch tạo dao động (ossillator) dùng 555 để tạo xung cho bộ đếm

Thiết kế mạch tạo xung 555 theo sơ đồ sau:

6

Xung ra (chân 3 của 555) là xung vuông độ rộng T1, độ rỗng T2, chu kỳ

T =T1 + T2, tính theo công thức:

T

1

= 0,693.( Ra + Rb).C

T

2

= 0,693 Rb.C

=> T =0,693.( Ra + 2.Rb).C

Tần số f =1/T

Ở đây ta chọn Ra có thể thay đổi (VR) để khi điều chỉnh Ra => thay đổi T =>

thay đổi được số xung phát ra trong 1s Chẳng hạn trong mạch chọn:

Ra = 5K, Rb = 2,2 K; C = 1uF thì ta được xung dao động có :

T

1

= 0,693.( Ra + Rb).C = 0,693.( 5 + 2,2) 10

3

10

-6

= 0,005 s

T

2

= 0,693 Rb.C = 0,693 2,2 10

10

-6

= 0,0015 s

T =T1 + T2 = 0,0065 (s) tức f = 1/T = 1/0,0065 = 153,8 xung/s

Ta có thể lắp 2 led sau chân 3 để kiểm tra xung ra: nếu led dưới sáng thì Ura=1,

ngược lại Ura = 0

2.Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều đơn giản dùng 555

555 còn có thể dùng tạo xung theo cách khác nếu lắp thêm điot ngược từ chân

6 lên chân 7 để ngăn dòng đi qua Rb khi tụ hoá C xả Khi đó T1 giảm 1 lượng

0,693.Rb.C, còn T2 không đổi so với trường hợp trên:

7

Nếu theo cách này khi ta điều chỉnh được T1, T2 (bằng biến trở) đồng thời mà

vẫn giữ nguyên T , tức tăng Ra và giảm Rb đồng thời một lượng như nhau thì độ rộng xung thay đổi mà tần số không đổi như thế ta đã điều chế được độ rộng xung cho mạch điều khiển động cơ Điều này có thể làm được bằng cách sử dụng thêm 1 biến trở lắp giữa Ra, Rb dùng cả 3 chân theo sơ đồ sau:

Chức năng các linh kiện:

LM555: dao động tạo xung PWM

R2: điều chỉnh tốc độ động cơ

MOSFET IRF510: tầng công suất cho mạch điều khiển

Diode D2: triệt xung gai, bảo vệ MOSFET

8

Diode D1 :tạo đường xả độc lập cho tụ C2

Ta vẫn có : T

1

= 0,693.Ra C

T

2

= 0,693 Rb.C

T =0,693.( Ra + Rb).C

Nhưng : Ra = R1 + R21

Rb = R3 + R22

R1, R3, R21+R22 =R2 không đổi suy ra (Ra + Rb) không đổi => T

không đổi

3 Một số mạch khác điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng phương

pháp PWM

3.1 So sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung

Sơ đồ mạch:

Trong mạch trên ta có :

IC U1c : có chức năng tạo điện áp chuẩn 6V cho 2 IC: U1a và U1d

IC U1a : tạo xung vuông

IC U1b : bộ tích phân biến đổi xung vuông thành xung tam giác

9

IC U1b : là bộ so sánh giữa xung tam giác ở đầu vào 5 với điện áp 1 chiều ở

đầu vào 6 có thể thay đổi nhờ chỉnh biến trở VR1:

U6 = 12

72

76

RVR

VRRR

+

Khi thay đổi U6 (bằng cách thay đổi VR) qua mạch so sánh ta được độ rộng

xung thay đổi => tốc độ động cơ thay đổi

Mosfet : tầng khuếch đại cho mạch điều khiển

D1 : bảo vệ mosfet, led để kiểm tra xung điều khiển cho động cơ

Các tụ C2,C3,C4,C5 : lọc nguồn

U2 ( IC 7812) : ổn định điện áp 12V cho các nguồn trong mạch

3.2.Mạch điều khiển tốc độ dùng NE 556

10

Trong mạch trên :

IC NE556 thực chất là 2 x IC555 được tích hợp trong 1 công nghệ chế tạo bán

dẫn ½ 556 đầu được nối ghép làm mạch tạo dao động (như phần trên) Chân ra của ½

556 đầu dùng để nuôi ½ 556 sau:

T =0,693.( Ra + 2.Rb).C

½ NE556 sau dùng để điều chế độ rộng xung, sau NE556 là mosfet khuếch đại

cho mạch điều khiển Khi thay đổi điện trở Speed 10K, và điện trở Cut off thì điện áp chân 11 (control voltage ) của ½ 556 sau thay đổi do đó theo trên độ rộng điện áp xung

ra (chân 9) thay đổi => có thể điều chế độ rộng xung

LM311 là bộ so sánh dùng để cắt dòng điều khiển ( => cắt tốc độ về 0 – zero

speed cut off) khi điện áp chân 11 (control voltage ) nhỏ hơn địên áp U3

Tính toán mạch LM311:

11

Ta có: khi U2 >U3 =

)(

19

12

181

1

V

kk

kVcc

=

+

KK

UVcc

K

UU

5010

3

50

310

+

−

=

−

=> U10 =

6

3

103

6

)312.(5 U

U

U

−

=10,…

Như vậy chân 10 của ½ 556 sau luôn ở mức cao khi U2 >U3 tức ½ NE556 sau

hoạt động khi U2> U3 Còn khi U2<U3 thì ½ NE556 không hoạt đông => cắt dòng điều khiển cho động cơ Việc cắt dòng điều khiển cho động cơ là cần thiết bởI mặc dù khi điện áp chân 11 nhỏ hơn cỡ 12/19 =0,61 V thì gần như tốc độ động cơ -> 0 (độ rộng xung rất nhỏ) nhưng do xung gai điện áp thậm chí khi U2=0, V vẫn có gai do đó

để bảo vệ động cơ cần phải cắt dòng điều khiển

4 Vi mạch LM3524

Các đặc điểm (Features) LM 3524/2524 :

- Có đầy đủ các đặc tính họ LM3524 chuẩn

- Độ chính xác ± 1 % với điện áp chuẩn 5 V

- Đầu ra có dòng điện tới 200 mA DC

- Điện áp đầu ra có thể đến 60V DC

- Đầu vào có độ rộng chung cho error-Ampli (xem Block diagram)

- Tại một thời điểm có một xung xác định ( triệt xung nhiễu - ồn)

- Cải thiện khả năng làm việc ở tần số cao

- Khả năng triệt xung gai gấp hai lần

- Đồng bộ hóa xung qua chân 3

Sơ đồ chân:

12

TaiLieuDaiHoc.com