Đồ-án

Hiện nay máy móc đang dần thay thế con người làmviệc và để làm được việc đó các động cơ điện cũng rất quan trọng trong việc truyềnđộng cho các cơ cấu đó.Gắn liền với việc sử dụng động cơ

MỤC LỤC

Lời Nói Đầu

Ngày nay công nghệ khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển Trong đóngành kỹ thuật cơ điện tử đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong cuộc sống của conngười Hòa cùng với sự phát triển đó ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử cũng đã cónhững bước phát triển vượt bậc Hiện nay máy móc đang dần thay thế con người làmviệc và để làm được việc đó các động cơ điện cũng rất quan trọng trong việc truyềnđộng cho các cơ cấu đó.Gắn liền với việc sử dụng động cơ là quá trình điều khiển tốc

độ động cơ sao cho phù hơp với yêu cầu thực tế và đảo chiều động cơ Để đáp ứng

yêu cầu đó nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “ Thiết kế mạch cầu H điều khiển động cơ dùng MOSFET

Sau thời gian thiết kế, chế tạo và hoàn thiện đề tài nghiên cứu với sự cố gắng

của các thành viên trong nhóm cùng với sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy Bùi Trung Thành và các thầy cô giáo trong khoa cùng sự đóng góp ý của các bạn sinh

viên chúng em đã hoàn thành đề tài này Do còn ít kinh nghiệm và kiến thức hạn hẹpnên đề tài này không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được những ý kiếnđóng góp của thầy cô và các bạn sinh viên để có thể hoàn thiện đề tài này được tốthơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

…………

………

………

………

Hưng Yên, ngày 7 tháng 4 năm 2016

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Động cơ điện một chiều

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặcđộng cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơnăng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện mộtchiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải

1.1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Gồm 2 phần chính: Phần tĩnh (stato) và phần động (rôto)

Phần tĩnh (stato)

Cực từ chính : Là phần sinh ra từ trường chính trong động cơ nó bao gồm:

Lõi cực từ : có thể làm bằng thép khối vì dẫn từ một chiều Tuy nhiên để giảmkích thước, ngày nay nó được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbondày 0,5 ÷ 1mm ép lại và tán chặt

Hình 1.1 Cực từ chính

Dây quấn cực từ chính: Được làm bằng dây dẫn tròn có bọc cách điện hoặc dâydẫn tiết diện chữ nhật quấn định hình rồi lồng vào thân cực từ Các dây quấn kíchthích đặt trên các cực từ chính thường được nối nối tiếp với nhau

Cực từ phụ: Cực từ phụ được bố trí xen kẽ với cực từ chính để cải thiện đổi

chiều

Lõi cực từ phụ : có thể làm bằng thép khối

Dây quấn cực từ phụ: đặt trên cực từ phụ và nối nối tiếp với dây quấn

phần ứng qua các chổi than

Gông từ: Làm mạch dẫn từ, nối liền các cực từ chính và phụ, đồng thời làm vỏ

máy Máy nhỏ và vừa gông từ làm bằng thép tấm, máy lớn làm bằng thép đúc

Các bộ phận khác:

Nắp máy: che chắn bảo vệ khỏi các vật ngoài rơi vào máy và làm giá đỡ ổ bi

Cơ cấu chổi than: đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Hộp chổi than và chổithan được cố định trên nắp máy

0,35-Hình 1.3: Phiến góp và cổ góp Dây quấn phần ứng: Đây là bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng

lượng điện từ, là bộ phận sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Nó đượcphân bố trong các rãnh của lõi thép phần ứng

Cổ góp: Đây là bộ phận để đổi chiều dòng điện hay có thể coi nó là bộ chỉnh

lưu cơ khí

Cổ góp bao gồm các phiến góp làm bằng đồng, được ghép và ép lại thành cổgóp hình trụ Giữa các phiến góp có lớp cách điện bằng mica dày 0,4 - 1,2 mm.

Các bộ phận khác:

Trục máy: trên đó có đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi Trục máy thườnglàm bằng thép cacbon tốt

Quạt gió: dùng để quạt gió làm nguội máy Cánh quạt được nắp trên trục máy.

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Một khung dây abcd hai đầu nối với 2 phiến góp, đặt trong từ trường của mộtnam châm vĩnh cửu N-S, hai chổi điện A và B đặt cố định và tỳ sát lên trên 2 phiếngóp

Đặt điện áp một chiều U vào hai chổi than A, B Khi đó trong dây quấn phầnứng sẽ sinh ra dòng điện Iư Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện chạy qua, lại được đặttrong từ trường của nam châm vĩnh cửu lại chịu tác dụng của lực Fđt tác dụng làmcho roto quay Chiều quay của roto cùng chiều với lực điện từ được xác định theoquy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ chonhau đo đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều của lực tác dụng khôngđổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

Theo định luật cảm ứng điện từ trong các thanh dẫn ab và cd cắt các đườngsức từ trường sẽ cảm ứng được một sđđ:

e = B.l.v (V) (1.1)Trong đó:

B: là từ cảm của nam châm N-S (T)

l: là chiều dài của thanh dẫn (m)

v: là vận tốc dài của thanh dẫn (m/s)

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấnkích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông tươngtác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ Giá trịcủa mômen điện từ được tính như sau:

Mđt = K Iư (1.2)

Trong đó:

: từ thông dưới một cực

K= : hệ số cấu tạo động cơ

p: số đôi cực của động cơ

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.5 Đặc tính cơ của động cơ

Quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ:ω= f(M) hoặc n= f(M)

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặctính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạchđộng cơ: ω= f(I) hoặc n= f(I)

Phương trình đặc tính cơ(kích từ độc lập):

Hình 1.5 Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.2 Giải pháp nghiên cứu

Như vậy để điều khiển động cơ DC thì phương pháp thay đổi điện áp phần ứng là phùhợp nhất với tổn hao điều khiển là rất ít, dễ dàng thực hiện với chi phí thấp phù hợpvới các cơ cấu thông dụng

Để điều khiển điện áp phần ứng thì có những cách sau:

- Dùng các bộ chỉnh lưu bán điều khiển và điều khiển hoàn toàn

- Dùng các IC hay các vasistor để thay đổi điện áp

- Tạo xung PWM điều khiển mạch động lực để thay đổi điện áp đặt vào động cơ-…vvv vvv…

Trong đề tài này động cơ được sử dụng là loại có công suất nhỏ, yêu cầu điều khiểnphải có tính chính xác cao và dễ dàng điều khiển nên chúng em đã chọn phương phápphù hợp là điều khiển động cơ bằng xung PWM từ vi điều khiển.

1.2.1 Nguyên tắc điều chế xung PWM

PWM nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng

ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điều áp Sửdụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn đượcdùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổnđịnh tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot,buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế

và các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiểncác phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM nó được ứng dụng rất nhiều trong cácthiết bị điện điện tử Điều mà dân điện điện tử dễ dàng nhận ra là PWM chínhnhân tố mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độđộng cơ

1) Định nghĩa xung PWM

Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là 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 hoặc là sườn âm

2) Nguyên lý điều chế độ rộng xung

PWM tạo dựng trên nguyên tắc chuyển tải năng lượng từ A đến B dưới dạngcác xung vuông toàn áp (biên độ xung gần với điện áp nguồn cung cấp) liên tiếp.Trong đó mức năng lượng tỷ lệ thuận với thời gian mở xung (độ rộng xung tính trênđơn vị thời gian

Tần số xung trong PWM có thể cố định hay biến đổi (thường là cố định tần sốxung chuyển mạch) Với tần số cố định, chu kỳ t bằng tổng thời gian mở xung t(on)với thời gian tắt xung t(off)

t = t(on) + t(off) (2.6)

Tỷ lệ của thời gian mở trên chu kỳ xung chính là độ sâu điều biến độ rộng xung,đặc trưng thành thuật ngữ "% duty"

Hình 1.11 Sơ đồ xung của van điều khiển đầu ra

Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn Dùng van đóng cắt bằng Mosfet.Giản đồ xung trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung củachân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

Trong khoảng thời gian 0 - t0 ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud đượcđưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t0 - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp chotải Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóahoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

Hình 1.12 Sơ đồ điều khiển van bằng xung PWM

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải: Gọi t1 là thời gian xung ởsườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện ápnguồn cung cấp cho tải

(2.7)với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM Như vậy ta nhìntrên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bình trên tải sẽ là : + Ud

= 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)

+ Ud = 12.40% = 4.8V (Với D = 40%)

+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

3) Các cách để tạo ra được PWM để điều khiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng: Bằng phần cứng và bằng phần mền Trong phần cứng có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp

từ các IC dao động tạo xung vuông như: 555, LM556 Trong phần mền được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mền thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM

a) Tạo bằng phương pháp so sánh

Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :

+ Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM

+ Tín hiệu tựa là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)

Xét sơ đồ mạch sau:

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw) và 1 tínhiệu 1 chiều (Ref)

+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là 0V

+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là Urmax

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw

b) Tạo bằng phương pháp dùng IC dao động

Như chúng ta đã bít thì có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra xung vuông mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác làm gì vì trong đó nó đã tích hợp sẵn hết cả rồi

và ta chỉ việc lắp vào là xong Ví dụ dùng dao động IC555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm

Với tần số xác định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên chỉ cần điều chỉnh R2 là cóthể thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngoài 555 ra còn rất nhiều các IC tạo xung vuôngkhác.

4) Ví dụ 1 mạch đơn giản tham khảo

Trong mạch đơn giản trên thì ta tính được các giá trị :

- Sử dụng 2 khóa điện tử để điều khiển tốc độ và 2 khóa cơ khí để điều khiểnđảo chiều Với cách làm này việc điều khiển và đảo chiều tương đối đơn giản tránhđược các sự cố và dễ dàng khắc phục nhưng đồng thời cũng mang lại nhược điểmlớn như: chiếm nhiều diện tích do diện tích của khóa cơ khí là rất lớn, tốc độ điềukhiển chậm, khóa cơ khí dễ dàng bị hỏng trong quá trình sử dụng lâu dài

- Sử dụng mạch cầu H Mạch cầu H được ghép bởi 4 khóa điện tử lại với nhauvới những ưu điểm vượt trội như: tốc độ điều khiển nhanh, diện tích nhỏ, dễ dàng tíchhợp với các mô-dul điều khiển vi xử lý Nhưng sẽ là không dễ dàng để điều khiểnmột mạch cầu H theo yêu cầu Đòi hỏi cần phải có kiến thức phần vững cũng như là

1.2.3 Giới thiệu về mạch cầu H

Mạch cầu H là được gọi là mạch cầu H vì nó được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet.Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet Tác dụng của transitor

và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải Tín hiệu điều khiển cácvan là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cungcấp cho tải Tín hiệu điều khiển là nhỏ thường là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển lànhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM) mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện áplớn Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp haydòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải Mạch cầu H có thể đảo chiềudòng điện qua tải nên thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC

và các mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H có thể đảochiều động cơ

1) Các dạng cấu tạo của mạch cầu H

Mạch cầu H được cấu tạo bởi 2 dạng chính mà ta hay gặp :

a) Dạng 1 : Được cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N Sơ đồ nguyên lý mạch

được cấu tạo như sau:

Đối với dạng này thì được cấu tạo bởi các transitor cùng kênh N Và chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển kích mở các transitor (Fet) nên thường được sử dụng nhiều trong điềukhiển.

b) Dạng 2: Được cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (Thuận Ngược) Sơ đồ

nguyên lý cấu tạo của nó được cấu tạo như sau:

Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định Và như thế chúng ta sẽ thấy là cần 4tín hiệu điều khiển nhưng trong thực tế mình chỉ cần 2 tín hiệu điều khiển

2) Nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H.

Mạch cầu H này được điều khiển bởi 4 tín hiệu đóng mở các van đó là các tín hiệu 1

và tín hiệu 2 (Như trên hình vẽ) và điều khiển được 2 chiều (Có nghĩa là đảo chiềudòng điện) Xét từng chế độ thuận và nghịchNhư chúng ta đã bit điều kiện để đóng mở đê các transitor thông là:+ Đối với kênh N để mở thì Ube > 0 và mở transitor bằng dòng điện+ Đới với transitor kênh P để mở thì Ube <= 0 Thường thì bằng 0 là nó sẽ mở

* Điều khiển với chế độ thuận.

Ở chế độ thuận này cấp 4 tín hiệu điều điều khiển vào 4 con Transitor và điều kiện để

có dòng thuận chạy qua tải trong 1 thời điểm là:

+ Tín hiệu 1 = 0 (Tức là mở transitor Q1)

+ Tín hiệu 2 = 0 (Tức là đóng transitor Q2)

+ Tín hiệu 3 = 1 (Tức là đóng transitor Q3)

+ Tín hiệu 4 = 1 (Tức là mở transitor Q4)

Và dạng đường đi được mô tả như hình vẽ sau:

Đấy là dạng đi của chiều thuận: Dòng điện từ nguồn qua Q1 sau đó qua tải và qua Q2

xuống GND

* Điều khiển ở chế độ nghịch

Ở chế độ này ta cũng cấp 4 tín hiệu điều khiển vào 4 con transitor Và 4 tín hiệu điều

khiển này phải thỏa mãn điều kiển sau:

+ Tín hiệu 1 = 1 (Tức là khóa transitor Q1)+ Tín hiệu 2 = 1 (Tức là mở transitor Q2)+ Tín hiệu 3 = 0 (Tức là mở transitor Q3)+ Tín hiệu 4 = 0 (Tức là đóng transitor Q4)

Và dạng đường đi của chúng được thể hiện như hình vẽ sau :

Nhìn vào mũi tên sẽ thấy dạng đường đi khi cấp ở chiều nghịch Dòng điện đi từ Vcc qua Q3 qua tải và qua Q2 xuống GND.

Kết luận chương I

Qua cơ sở lý thuyết nói trên, có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điệnmột chiều và chúng em đã lựa chọn được phương pháp điều khiển động cơ tối ưu làdùng mạch cầu H và điều khiển bằng phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DÙNG CẦU H

Điện áp 5V cấp nguồn để nuôi IC NE555

IC NE555 có tác dụng tạo xung vuông để kích mở cho Transistor Tip41 (NPN)

Điện áp 12V là điện áp cấp vào cực D của mosfet IRF540 để khi mà được kích dẫnthì sẽ là nguồn cho động cơ

Nguyên lý hoạt động của cầu H:

Quay thuận (công tắc gạt ở chân 1):

Khi xung NE555 ở mức 1 (5V) cấp vào chân B của Tip 41 làm Tip 41 dẫn khi đóđiện áp 12V sẽ được kích vào cực G của mosfet làm Q1 và Q3 dẫn, Q2 và Q4 khi đó

sẽ khóa => động cơ quay thuận