thiết kế chế tạo động cơ bước dc có đảo chiều quay

ĐỒ ÁN MÔN HỌCTên đề tài: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM có đảo chiều quay I.. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để t

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp

PWM có đảo chiều quay

I Dữ liệu cho trước

Tài liệu ĐTCS, phòng và thiết bị

II Nội dung cần hoàn thành

1 Tổng quan về mạch điều khiển tốc độ động cơ DC

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện DC

3 Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ điện DC

4 Sản phẩm của đề tài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật sử dụng làm mô hình giảng dạy

5 Quyển thuyết minh mô tả đầy đủ và chính xác nội dung của đề tài

III Tài liệu tham khảo

1 Các tài liệu giáo trình chuyên môn có liên quan

2 Trang thiết bị máy móc tại xưởng thực tập

Giáo viên hướng dẫn

Ngày giao đề tài : Ngày hoàn thành: MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 IC 78xx 4

1.1.1 Ký hiệu 4

1.1.2 Các tham số cơ bản 5

1.2 MOSFET IRF 540 5

1.2.1 Cấu tạo của Mosfet 5

1.2.2 Ký hiệu 6

2.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 11

2.2.1 Phần tĩnh (stator) 11

2.2.2 Phần quay (rotor) 11

2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 12

2.4.1 Khái niệm chung: 14

2.4.1.1 Định nghĩa: 14

2.4.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ: 14

2.5.2 Phương trình đặc tính cơ 17

3.Xung PWM 18

2.2 Sơ đồ nguyên lý 24

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 24

2.2.3 Khối điều khiển 25

2.2.4 Khối mạch động lực 27

2.3.Nguyên lý toàn mạch 28

2.4.Sơ đồ mạch in toàn mạch 29

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nề kinh tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trước đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đến việc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên có khả năng thực tế cao

Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết kế, chế

tạo chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Thiết kế và chế tạo mạch điều động cơ DC bằng phương pháp PWM ” nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá

trình thực tế

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng với sự

lỗ lực cố gắng của cả nhóm, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến nay đồ án của chúng

em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng

do trình độ còn hạn chế kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Chúng

em mong nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của cô thầy trong khoa để

đồ án của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo cùng với các thầy giáo trong khoa đã giúp chúng em hoàn thành đồ án

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Note: XX là mức điện áp tùy chọn

•Cách đơn giản nhất để tạo ra nguồn +12V là dùng IC nguồn 7812

•Nhược điểm lớn nhất của họ 78XX là tỏa nhiệt rất nhiều, điện áp thừa sẽ được cắt bỏ chuyển thành nhiệt năng tỏa ra trên IC

Lưu ý rằng điện áp đầu vào cho 7812 chỉ nên cao hơn 2V-3V so với điện áp đầu

ra, họ 78XX là họ IC nguồn tạo ra điện áp dương tùy theo loại IC ta chọn.Ví dụ như 7805 sẽ cho ra điện áp +5V

1.1.2 Các tham số cơ bản

1.2 MOSFET IRF 540

1.2.1 Cấu tạo của Mosfet

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.Khác với BJT, Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ).Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

1.2.2 Ký hiệu

Ký hiệu và hình ảnh IRF 540

Van động lực được dùng trong sơ đồ này là loại transistor trường hay

MOSFET có tên là IRF 540 Nó là MOSFET loại N (N-CHANNEL) có thể chịu được dòng lên đến 25A và tần số đóng ngắt rất cao (1MHz).Nó dùng để đóng ngắt và

khuếch đại điện áp cung cấp cho động cơ DC.Xung điện áp được đưa vào qua chân G của IRF 540,giả sử ban đầu xung điện áp có điện áp >0 IRF dẫn => có điện áp đầu

ra,tại thời điểm thứ 2 xung điện áp có giá trị =0 IRF khóa điện áp đầu ra là =0 và cứ như vậy tạo ra điện áp đầu ra có dạng xung vuông Một số thông số cơ bản của IRF

Mạch điện tương đương của Mosfet

Mạch điện tương đương của Mosfet Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó.

+ Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D+ Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0 Điện áp điều khiển đóng

là Ugs<=0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0

+ Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet

Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds Tuy nhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss Nhưng dưới điều kiện nhất định như là điện áp Ugs và Uds Ta có thể tính được giá trị các tụ đó

1.2.4 Xác định chân, kiểm tra-Mosfet

Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor Chân của Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân S ở bên phải còn chân D ở giữa

+ Kiểm tra Mosfet

Mosfet có thể được kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng Do có cấu tạo hơi khác so với Transitor nên cách kiểm tra Mosfet cũng không giống với Transitor

Mosfet còn tốt :Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng ( kim không lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thoát điện thì trở kháng giữa D và S phải là vô cùng

Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KW

Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D )

Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D que đỏ vào S ) => kim sẽ lên

Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G

Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên

=> Kết quả như vậy là Mosfet tốt

+ Mosfet chết hay chập

Để đồng hồ thang x 1KW

Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0 W là chập

Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0 W là chập D S

+Đo kiểm tra Mosfet trong mạch

Khi kiểm tra Mosfet trong mạch , ta chỉ cần để thang x1W và đo giữa D và S

=> Nếu 1 chiều kim lên đảo chiều đo kim không lên => là Mosfet bình thường, Nếu cả hai chiều kim lên = 0 W là Mosfet bị chập DS

1.2.5.Ứng dụng của Mosfet

Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được

sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao

2 Động cơ một chiều.

2.1.Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều.

Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điện một chiều gồm những loại sau đây:

-Động cơ điện một chiều kích từ song song

-Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

-Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

2.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều.

tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép.

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép Cacbon tốt

2.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

A

B

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều.

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng

có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện

từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ

có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên

Eư còn gọi là sức phản điện động

+

-I F

F a

Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư

Hình 1.7 Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.

2.4 Điều khiển tốc độ quay của động cơ điện một chiều.

2.4.1 Khái niệm chung:

2.4.1.1 Định nghĩa:

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ

đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu

Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc

độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện

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

so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng

mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

2.4.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

a Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay

bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ

tự nhiên

b Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức:

Trong đó: - nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

c Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:

Độ cứng: β = Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏ nghĩa là độ ổn định tốc

độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ Hay nói cách khác β càng lớn thì càng tốt

d Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điều chỉnh tốc

độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

Trong đó: ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp

γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp

e Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆Pphụ ở mức thấp nhất

f Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết

bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau

2.5 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập.

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơβđược tính như sau:

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng

β →∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng

2.5.1 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều.

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng.

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập

60

.

: hệ số sức điện động của động cơa: số mạch nhánh song song của cuộn dâyK=

π

a

n p

2

.

: hệ số cấu tạo của động cơ

ω: tốc độ góc tính bằng rad/sp: số đôi cực chính

N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

Thế (2) vào (1) ta có: ω= u u I u

K

R K

U

φ

φ − (3)

Hoặc: n= u

e

u e

K

R K

U

φ

− (4)Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện.Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ

K K

R K

U

e

u e

2).(.φ − φ = ω0 −∆ω

trong đó: ω0 : tốc độ không tải lý tưởng

∆ω: độ sụt tốc độ

Sơ đồ xung của van điều khiển đầu ra.

Trên là nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

Nguyên Lý

Trong khoảng thời gian từ 0 – tO ta cho van G mở toàn bộ nguồn Ud được đưa

ra tải còn khoảng thời gian từ tO – T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với 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

+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải:

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở) còn T là thời gian của cả sườn âm và sườn dương Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

 Ud = Umax.( ) (V)

Hay Ud= Umax.D

Với D= là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

Như vậy ta nhìn trên đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: điện áp trung 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%)