Thiết kế mạch điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng IC 555

Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điệ

MỤC LỤC

LỜINÓIĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 4

PHẦN MỞ ĐẦU 5

I Đặt vấn đề 5

II Giới hạn đề tài 5

III Mục đích nghiên cứu 5

IV Kết quả 5

PHẦN NỘI DUNG 6

CHƯƠNGI.CƠSỞLÝTHUYẾT 6

1.1 Giớithiệuvề phươngphápPWM 6

1.1.1 Nguyênlý củaphươngphápPWM 7

1.1.2 Cáccáchđể tạorađượcPWMđể điềukhiển 9

1.1.2.1.Tạobằngphươngphápso sánh 9

1.1.2.2.TạobằngphươngphápdùngICdaođộng 10

1.1.2.3.Tạoxungvuôngbằngphầnmềm 10

1.1.3 Mộtvài ứngdụng nổibật củaPWM 10

1.1.3.1 PWMtrongđiềukhiểnđộngcơ 10

1.1.3.2.Trongcácbộbiếnđổixungáp 11

1.1.4.Ưunhược điểmcủamạchPWMdùnglàmmạchđiềukhiểnđộngcơDC12 1.1.4.1.Ưu điểm 12

1.1.4.2 Nhược điểm 12

1.2 Giới thiệu về mạch cầu H 12

1.2.1 CácdạngcủamạchcầuH 13

1.2.2 Nguyêntắc hoạtđộngchungcủamạchcầuH 14

1.2.3.Ưu nhượcđiểmcủacầuH 15

1.3 Tìm hiểu về vi mạch IC 555 16

1.3.1 Thông số 16

1.3.2 Chức năng của 555 16

1.3.3 Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý 17

1.3.4 Chức năng từng chân 17

CHƯƠNGII.GIỚITHIỆUVỀĐỘNGCƠĐIỆNMỘTCHIỀU 23

2.1 Nguyên lý chung 23

2.2Cấu tạo chung 24

2.2.1.Stato 25

2.2.1.1Cực từ chính 25

2.2.1.2.Cựctừphụ 25

2.2.2.Roto 25

2.2.2.1 Lõi sắt phần ứng 26

2.2.2.2 Dây quấn phần ứng 26

2.2.2.3 Cổgóp 26

2.2.2.4 Các bộ phận khác 26

2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 26

2.3.1.Điềuchỉnhtốcđộbằngcáchthayđổitừthôngθ 27

2.3.2.ĐiềuchỉnhtốcđộbằngcáchthayđổiđiệntrởphụRftrênmạchphầnứng 28

2.3.3.Điềuchỉnhtốcđộbằngcáchthayđổiđiệnáp 29

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH - THIẾT KẾ 31

3.1 Sơ đồ ngyên lý 31

3.2 Nguyên lí hoạt động 31

3.3 Phân tích – thiết kế 31

3.3.1 Mạch chỉnh lưu 31

3.3.2 Mạch đa hài phi ổn sử dụng IC 555 (mạch 1) 33

3.3.3 Mạch đơn ổn sử dụng IC 555 (mạch 2) 34

3.3.4 Các thông số của mạch 35

KẾT LUẬN 39

LỜINÓIĐẦU

Ngày nay công nghệ khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển.Trong đó ngành kỹ thuật điện tử đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong cuộc sống của con người Cùng với sự phát triển đó ngành công nghệ kỹ thuật điện-điện tử cũngđã có những bước phát triển vượt bậc.Trong thời đại hiện nay máy móc đã

và đangdần thay thế con nguời làm việc và để làm được việc đó các động cơ điện cũng rất quan trọng trong việc truyền động cho các cơ cấu đó.Gắn liền với việc sử dụng động cơ là quá trình điều khiển động cơ sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế

Với mong muốn tìm hiểu, ứng dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện đại vào phục vụ sản xuất và phục vụ đời sống con người hơn nữa được sự

hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Nguyễn Văn Đoài Em đã thực hiện đề tài:

“Thiết kế mạch điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng IC 555”.Do trình

độ hiểu biết còn hạn chế, nên dù cố gắng hết sức trong việc thực hiện đề tài cũng không tránh khỏi thiếu sót

Mong các thầy(cô) chỉ bảo thêm để chúng em hiểu vấn đề được sâu sắc hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đoài đã nhiệt tình giúp đỡem

hoàn thành tốt bản đồ án này

Sinhviênthựchiện: Đinh Xuân Toàn

Em cũng chân thành cảm ơn quý thầy cô trong trường Đại Học Quảng Bình

đã tạo nền móng kiến thức cho chúng em

Xin gửi lời chúc sức khỏe và lòng tri ân chân thành đến quý thầy cô

PHẦN MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ

và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử

Sau đây em xin giới thiệu một mạch điều chỉnh tốc độ động cơ khá hiệu quả sử dụng IC555

II Giới hạn đề tài

Đề tài trình bày nội dung điều chỉnh tốc độ động cơ

Có cácphương pháp thay đổi tốc độ của động cơ là:

-Thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi dòng điện

- Thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng Trong phần này tập trung nghiên cứu phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt lên động cơ

Có rất nhiều mạch thay đổi tốc độ động cơ, trong phần này xin giới thiệu mạch thay đổi tốc độ động cơ dùng IC555

III Mục đích nghiên cứu

Mục đích hàng đầu của mạch thay đổi tốc độ động cơ dùng IC555 là nghiên cứumạch ứng dụng IC555 để thay đổi điện áp ngõ ra từ đó thay đổi tốc

độ quay của động cơ

Qua quá trình nghiên cứu mạch cũng tạo điều kiện cho sinh viên hệ thống lại những kiến thức đã học, đồng thời góp phần nâng cao khả năng ứng dụng những gì đã học của sinh viên vào thực tiễn

IV.Kết quả

Thiết kế mạch điện dùng để thay đổi tốc độ động cơ và đảo chiều quay

SửdụngPWMđiềukhiểnnhanhchậmcủađộngcơhaycaohơnnữanócònđược dùngđể điềukhiểnổnđịnhtốc độđộngcơ.Ngoàilĩnh vựcđiềukhiểnhayổnđịnh tảithìPWMnócònthamgiavà điềuchếcácmạchnguồnnhưlà:boot,buck, nghịchlưu 1phavà 3pha PWMchúngta còngặpnhiềutrongthựctếvà các mạchđiệnđiềukhiển.Điềuđặcbiệtlà PWMchuyêndùngđể điềukhiểncácphần tử điệntử côngsuấtcó đườngđặctínhlà tuyếntínhkhicó sẵn1nguồn1chiềucố định

độrộng=(t1/T).100(%)

Nhưvậythờigianxunglêncànglớntrong1chukìthìđiệnáp đầura sẽ cànglớn Nhìntrênhìnhvẽ trênthìta tínhđượcđiệnápra tảisẽ là:

Xéthoạtđộngđóngcắtcủamộtvanbándẫn.DùngvanđóngcắtbằngMosfet

Hình1.2.Sơđồđóngngắtnguồn vớitải

+Côngthứctínhgiátrị trungbìnhcủađiệnápra tải:

Gọitolà thờigianxungởsườn dương(khóamở)cònT làthờigiancủacả sườnâmvà dương,Umaxlà điệnáp nguồncungcấpchotải

1.1.2.Cáccáchđể tạorađượcPWMđể điềukhiển

Để tạo được ra PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng: Bằng phần cứng

và bằng phần mềm 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 mềm được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng phần mềm thì

độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM

1.1.2.1.Tạobằngphươngphápso 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 hiệutựalà mộtđiệnáp chuẩnxácđịnhmứccôngsuấtđiềuchế(TínhiệuDC) Xétsơđồmạchsau:

Hình1.4.Tạoxungvuôngbằngphươngphápso sánh Chúngta sửdụngmộtbộso sánhđiệnáp 2đầuvàolà 1xungrăngcưa(Saw)và 1tínhiệu1chiều(Ref)

+KhiSaw<Refthìchora điệnáp là 0V

+KhiSaw>Refthìchora điệnáp là Umax

Nhưvậymỗikhichúngta thayđổiRefthìOutputlạicó chuỗixungđộrộng

1.1.2.2.TạobằngphươngphápdùngICdaođộng

Nhưchúngta đã biếtthìcó rất nhiềuICcó thể tạo đượctrựctiếp ra xungvuôngmà khôngcầnphảitạo tínhiệutamgiáclàmgìvìtrongđónóđã tíchhợpsẵnhếtcả rồi và ta chỉ việclắp vàolà xong.Tôilấy vídụdùngdaođộngIC555 vìICnàyvừađơngiảnlạidễ kiếm

Hình1.5.Mạchtạo xungđơngiảndùng 555

Vớitần số xácđịnhđượclà f=1/(ln.C1.(R1+2R2)nênchỉ cầnđiềuchỉnhR2làcó thểthayđổiđộrộngxungdễ dàng.Ngoài555ra cònrất nhiềucácICtạo xung vuôngkhác

1.1.2.3.Tạoxungvuôngbằngphầnmềm

Đâylà cáchtốiưutrongcáccáchđể tạođượcxungvuông.Vớitạo bằngphầnmềmchođộ chínhxáccaovề tần số và PWM,mạchcủachúngta đơngiảnđi rất nhiều.Xungnàyđượctạo dựatrênxungnhịpcủaCPU

1.1.3.Mộtvài ứngdụngnổibật củaPWM

1.1.3.1.PWMtrongđiềukhiểnđộngcơ

Điềumàchúngta dễ nhậnthấyrằnglà PWMrất hayđượcsử dụngtrongđộngcơ

để điềukhiểnđộngcơnhưlà nhanh,chậm,thuận, nghịch vàổnđịnhtốc độcho

nó.Nênđượcứngdụngnhiềutrongđiềukhiểnđộngcơ1chiều và sơ đồ nguyênlý củamạchđiềukhiểnđộngcơDClà:

Hình1.6.Sơđồnguyênlý củamạchđiềukhiểnđộngcơDC Đâylà

mạchđơngiảnđiềukhiểnđộngcơ.NếumuốnđiềukhiểnđộngcơquaythuậnquayngượcthìphảidùngđếncầuH

1.1.3.2.Trongcácbộbiếnđổixungáp

Trongcácbộbiếnđổixungáp thìPWMđặcbiệtquantrọngtrongviệcđiềuchỉnh dòngđiệnvà điệnáp ra tải.Bộbiếnđổixungáp có nhiềuloạinhư là biếnđổixung áp nốitiếp và bộbiếnđổixungáp songsong

Hình1.7.Sơđồ mạchnguyênlý củamạchnguồnBoot

Đâylà nguyênlý củamạchnguồnBoot.Dùngxungđiềukhiểnđể tạo tíchlũyđể tạo điệnáp ra tảilớnhơnđiệnáp vào

-Dảiđiềukhiểnrộnghơnso vớimạchđiềuchỉnhtuyếntính

-TốcđộmôtơquaynhanhhơnkhicấpchuỗixungđiềuchếtheokiểuPWMsovớikhicấpmộtđiệnáp tương đươngvớiđiệnáp trungbìnhcủachuỗixungPWM

1.1.4.2.Nhượcđiểm:

-Cầncácmạchđiệntửbổtrợ-giáthànhcao

-Cácxungkíchlên12Voltcó thể gâynêntiếngồnnếumôtơkhôngđượcgắn chặtvà tiếngồnnàysẽtănglênnếugặpphảitrườnghợpcộnghưởngcủavỏ

-Ngoàira việcdùngchuỗixungđiềuchếPWMcó thểlàmgiảmtuổithọcủamôtơ

1.2.1.CácdạngcủamạchcầuH

MạchcầuH đượccấutạobởi3dạngchính:

a, Dạng1

Đượccấutạobởi4transitor(Fet)CùngkênhN.Nguyênlý mạchđượccấutạonhư sau(dùngtransitorđể minh họa)

Hình1.8.Sơđồnguyếnlý mạchcầuH dùngTransistor ĐốivớidạngnàythìđượccấutạobởicáctransitorcùngkênhNvà chỉcần2tín hiệuđiềukhiểnkíchmởcáctransitor

b, Dạng2

Đượccấutạobởi2cặpđôitransitorP,NhayFET(thuận ngược).Sơđồnguyên lý cấutạocủanóđượccấutạo nhưsau:

Hình1.9.Sơđồnguyênlý mạchcầuHdùngTransistorP,NhayFet

Đốivớithiếtkế nàyquảlà thấykhálà ổnđịnh.Vànhư thếchúngta sẽ thấylà cần4tínhiệuđiềukhiểnnhưngtrongthựctếmìnhchỉcần2tínhiệuđiềukhiểnđã có thểđiềukhiểnđượcchonênkiểudạng2nàyđượcsửdụngnhiềutronglĩnhvực

điềukhiểnhơn

c, Dạng 3

MạchcầuH dùngRơle:Làmộtdạng“côngtắc”(switch)cơđiện(electrical mechanicaldevice),chúnggồmcáctiếpđiểmcơđượcđiềukhiểnđóngmởbằng

dòngđiện.Vớikhảnăngđóngmởcáctiếpđiểm,rơle là mộtlựachọntốtđể làmkhóachomạchcầuH.Thêmnữachúnglạiđượcđiềukhiểnbằngtínhiệu điện,nghĩalà chúngta có thểdùngAVR(haybấtkỳchipđiềukhiểnnào)để điều khiểnRơle,quađóđiềukhiểnmạchcầuH

Hình1.10.Cấutạo và hìnhdángcủarơlethôngdụng

1.2.2.Nguyêntắc hoạtđộngchungcủamạchcầuH

Tronghình1,hãyxem2đầuV vàGNDlà 2đầu(+)và (-)củaắc quy,“đốitượng” là độngcơDCmàchúngta cầnđiềukhiển,“đốitượng”nàycó 2đầuA và B,mục đíchđiềukhiểnlà chophépdòngđiệnqua“đốitượng”theochiềuAđếnB hoặcB đếnA.Thànhphầnchínhtạo nênmạchcầuH chínhlà 4“khóa” L1L2,R1và R2(L:Left,R:Right).Ở điềukiệnbìnhthường4khóanày“mở”,mạchcầuH không

Hình1.11.Nguyênlý hoạtđộngmạchcầuH Giảsửbằngcáchnàođómà2khóaL1và R2được“đónglại”(L1và R1vẫnmở), dễ dànghìnhdungcó mộtdòngđiệnchạytừ V quakhóaL1đếnđầuA và xuyên quađốitượngđếnđầuB củanótrướckhiquaR2và về GND(nhưhình 1.11a).Nhưthế,vớigiả sử nàysẽ có dòngđiệnchạyquađốitượngtheochiềutừ AđếnB.Bây giờhãygiả sử khácđi rằngR1vàL2đóngtrongkhiL1và R2mở,dòngđiệnlạixuấthiệnvà lần nàynósẽ chạyquađốitượng theochiềutừ B đếnA nhưtronghình1.11b(V->R1->A->L2->GND).Như vậychúngta có thểdung mạchcầuH đểđảochiềudòngđiệnquamột“đối tượng”(haycụ thểlà đảochiều độngcơ)

1.2.3 Ưu nhượcđiểmcủacầuH

a,Ưu điểm:SửdụngcầuH làmchomạchtrởnênđơngiảnhơnvà chỉcần1nguồn điện

b,Nhượcđiểm:Nếunhưmạchđiềukhiểnthìcùngbật2côngtắcởcùng1nửacầu thìsẽ mạchđộnglựccủachúngta bị ngắnmạchnguồn.Nếuhiệntượng xảyra trong1thờigianngắn(quáđộ)sẽxuấthiệndòngtrùngdẫnquavancôngsuấtlàmtăngcôngsuấttiêutántrênvan Nếuthờigiantrùngdẫnđủdài,dòngtrùngdẫnsẽ lớn làmcháyvancôngsuất

Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại hóa, 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh tranh và những lý do khác Tuy thế những công ty khác lại sản suất ra những dòng này.IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác

1.3.1 Thông số

+ Điện áp đầu vào: 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, NE7555 )

+ Dòng tiêu thụ: 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V

+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

1.3.2 Chức năng của 555

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

1.3.3 Bố trí chân và sơ đồ nguyên lý

Hình 1.12 Hình dạng IC 555 Loại 8 chân hình tròn và loại 8 chân hình vuông.Nhưng ở thị trường Việt Nam chủ yếu là loại chân vuông

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệura logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1.1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V

nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 - 0.75V)

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng đượcnhưng mà để giảm trừ nhiễu người

ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các

tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3.Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lạingược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý của IC 555

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý các linh kiện trông IC 555

1) Cầu phân áp gồm 3 điện trở 5k nối từ nguồn vcc xuống mass cho ra hai điện áp chuẩn là 1/3 Vcc và 2/3 Vcc

2) Opamp (1) là mạch khuyếch đại so sánh có ngõ In nhận điện áp chuẩn 2/3 Vcc, còn ngõ In thì nối ra ngoài chân 6 Tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà opamp(1) có điện áp ra mức cao hay mức thấp để làm tín hiệu R(Reset), điều khiến flip-flop

3) Opamp(2) là mạch khuyếch đại so sánh có ngõ In nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc, còn ngõ Inthì nối ra ngoài chân 2 Tùy thuộc điện áp của chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà opamp (2) có ngõ ra mức thấp hay mức cao để điều khiển tín hiệu S (Set),điều khiển flip-flop

4) Mạch flip-flop là mạch lưỡng ổn kích một bên, khi chân set có mức điện

áp cao thí điện áp này kích đổi trạng thái của flip-flop ở ngõ Q lên mức cao và ngõ ra Q có mức thấpkhi ngõ Set đang ở mức cao xuống mức thấp thì mạch flip-flop không đổi trạng tháikhi chân Rcó điện áp cao thì diện áp nầy kích đổi trạng thái của flip-flop làm ngõ Q lên mức cao và ngõ ra Q xuống mức thấpkhi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch flip-flop không đổi trạng thái

5) Mạch output là mạch khuyếch đại ngõ ra để tăng độ khuyếch đại dòngcấp cho tải, đây là mạch khuyếch đại đảo có ngõ vào là chân Q của flip-flop nên khi ngõ vào Q ở mức cao thì ngõ ra ở chân 3 sẽ có mức thấp và ngược lại

6) Transistor T1 có chân E nối với điện áp chuẩn 1,4V,là loại transistor PNP, cực B nối rangoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng gì dến mạch Khi chân 4 có điện trở nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bảo hòa đồng thời làm mạch output dẫn bão hòa và ngõ ra xuống thấp, chân 4 còn gọi là chân reset có nghĩa là nó reset IC 555 bất chấp tình trạng ở ngõ vào khác Do đó chân 4 dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần nếu không dung chức năng reset thì nối chân 4 với Vcc dể tránh mạch bị reset