Đồ án NE555 điều khiển tốc độ động cơ

Ne555 điều khiển tốc độ động cơ hiển thị lên LCD ( đơn vị hiển thị : RPM) Liên hệ hỗ trợ đồ án : https:www.facebook.comdoangiaresv Liên hệ hỗ trợ đồ án : https:www.facebook.comdoangiaresv Liên hệ hỗ trợ đồ án : https:www.facebook.comdoangiaresv

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh mẽ

và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn của ngành

kỹ thuật điện tử

Với sự phát triển nhanh chóng như hiện nay thì kĩ thuật điện tử, đang xâmnhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đáp ứng được mọi nhucầu của người dân

Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọingười Để góp phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “ Thiết kế

bộ chỉnh lưu có điều khiển chỉnh tốc độ động cơ một chiều 24V” thông qua đềtài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích lũy kinhnghiệm quý báu, bổ sung thêm và cố gắng tìm hiểu kỹ về các phương án côngnghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu kinh tế Với

hi vọng đồ án là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nênchúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ như việc lắp đặt bố trí thiết bị

Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ởtrường, qua một số sách và tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tìnhcủa giáo viên hướng dẫn và các bạn đồ án môn học của chúng em đã hoànthành Mặc dù đã cố gắng nghiên cứu và trình bày nhưng không thể tránh khỏinhững sai sót và nhầm lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô giáo đónggóp các ý kiến quý báu để đồ án môn học này hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

xxx ccc vvv bbb

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nhóm: 1

Họ và tên thành viên: vvv

vvvv

vvv vvv

Ca/lớp: vvvv

Giáo viên hướng dẫn đề tài: vvvv

Ngày giao đề tài: vvv

Ngày hoàn thành: vvv

Tên đề tài: Thiết kế bộ điều chỉnh lưu có điều khiển để điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều 24V

Yêu cầu:

1. Thiết kế sơ đồ động lực

2. Thiết kế mạch điều khiển

3. Tính chọn thiết bị

4. Thiết kế mô hình và thi công mạch điện

5. Đo lường, hiệu chỉnh các thông số của mạch điện

Số liệu và yêu cầu thêm:

- Thuyết minh, trình bày trên khổ giấy a4 chữ Times New Roman, cỡ chữ14

- Các bản vẽ và trình bày trên khổ giấy a1, mô hình được thiết kế thànhkhối có thể gá treo, có in sơ đồ mạch điện ở bên ngoài

Ngày tháng năm2020

Giáo viên hướng dẫn

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (DC)

I.Giới thiệu chung về động cơ một chiều DC

1.1 Khái niệm

Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") làĐộng cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây

là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC- điện áp một chiều(Khác với điện

áp AC xoay chiều) Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây VCC và dây tiếp đất- GND) DC motor là một động cơ một chiều với cơ năngquay liên tục

nguồn-Khi bạn cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năngthành cơ năng Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao ( sốvòng quay/ phút) Tốc độ không tải của động cơ DC nếu không giảm tốc có thểđạt từ 1000RPM tới 40.000RPM

Ứng dụng của động cơ DC cũng rất đa dạng và hầu hết trong mọi lĩnh vực củađời sống Trong tivi, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, máy côngnghiệp v v

Đối với động cơ điện một chiều có loại không chổi than (Brussless DC BLDC) và động cơ có chổi than (Brush DC Motor- DC Motor) Do động cơBLDC thực chất là động cơ điện 3 pha không đồng bộ vì vậy mình chỉ xétđộng cơ điện một chiều có chổi than.

Motor-1.2 Phân loại động cơ điện một chiều (đây là cách phân loại theo cách kích từ)

Động cơ điện một chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau:

ta gọi nó là kích từ Như vậy với những loại động cơ DC chúng ta tiếp cậnkhông cần phải quan tâm tới "kích từ" của nó

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Gồm có 3 phần chính stator( phần cảm), rotor ( phần ứng), và phần cổ chỉnh lưu

góp-(Cấu tạo chi tiết động cơ DC với phần than lộ và phần rotor dây đồng)

• - Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châmvĩnh cửu, hay nam châm điện

• - Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

• - Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khichuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm cómột bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển độngquay của rotor.

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotorcùng dấu, trở lại pha 1

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện độngcảm ứng Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay

sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặcsức điện độngđối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ.Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sửdụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra củađộng cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài) Như vậy điện ápđặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giángtạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng Dòng điện chạy qua động cơđược tính theo biều thức sau:

I = (Vnguon - Vphandienrong ) / Rphanung

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng :

P = I*(Vphandiendong)

Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnhđối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay

trái của Fleming Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làmcho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổgóp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ

có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường.Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương banđầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiềuphiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục

và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor

Phương trình cơ bản của động cơ một chiều:

• E= K.omega

• V= E+Rư.Iư

• M= K Φ Iư

Với:

• Φ: Từ thông trên mỗi cực(Wb)

• Iư: dòng điện phần ứng (A)

• V: Điện áp phần ứng (V)

• Rư: Điện trở phần ứng (Ohm)

• omega: tốc độ động cơ(rad/s

• M: moment động cơ (Nm)

K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ

1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có 3 phương án :

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ

- Điểu chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở Rf trên mạch phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư

Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiềunhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh động cơ một chiều bằng cách thay đổiđiện áp đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay sử dụng nhất vì nó thuđược đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không

bị hao tổn, có thể điều chỉnh trơn tốc độ

Vì vậy trong đồ án này em chỉ giới thiệu phương pháp điều khiển tốc độ động

cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

II Giới thiệu về Encoder

2.1 Khái niệm:

Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo

ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động Là một thiết bị cơ điện có khảnăng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung

Bộ mã hóa Encoder là một bộ phận rất quan trọng trong cấu tạo của máy CNC

Nó giúp đo và hiển thị các thồn số về tốc độ của máy

Có hai loại bộ mã hóa: tuyến tính và quay

Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn, cònEncoder quay thì đáp ứng với chuyển động quay

2.2 Cấu tạo của encoder:

Encoder bao gồm:

- 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ

- 1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng

- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng

Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu

Khi Encoder chuyển động bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyểnthành các tín hiệu điện Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điềukhiển PLC và được xử lý để biểu thị các giá trị cần đo đạt bằng chương trìnhriêng biệt

Đối với các tín hiệu có ánh sáng chiếu qua hay không có ánh sáng chiếu qua.Người ta vẫn có thể ghi nhận được đèn Led có chiếu qua lỗ này hay không.Hơn thế nữa, số xung đếm được và tăng lên được tính bằng số lần mà ánh sáng

Đối với đồ án này , bọn em sử encoder sử dụng cảm biến Hall, với nguyên lýhoạt động tương tự như trên

chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổiđiện áp ra.

Sử dụng PWM để điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nócòn được dùng để điều khiển ổn định động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay

ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : Boot,buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha Trên thực tế phương pháp PWM còn đượcứng dụng trong nhiều mạch điều khiển khác Điều đặc biệt là PWM chuyêndùng để điều khiển các phần tử điện công suất có đường tính là tuyến tính khi

Độ rộng xung PWM được tính như sau :

PWM%= (t1/T)*100(%)

Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra cànglớn Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính ra được điện áp tải ra sẽ là :

+ Đối với PWM = 25% => Ut = Umax (t1/T) = Umax 25% (V)

+ Đối với PWM = 50% => Ut = Umax 50%(V)

+ Đối với PWM = 75% => Ut = Umax 75%(V)

Cứ như thế ta tính được điện áp đầu tải với bât kì độ rộng xung nào

Bây giờ ta sẽ xem xét những ưu và nhược điểm khi sử dụng PWM để điềukhiển động cơ

A. Ưu điểm

- Đơn giản , dễ dang điều khiển tốc độ động cơ, độ ổn định cao

- Tốc độ motor cao hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so vớikhi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của mỗi chuỗixung PWM

B.Nhược điểm

- Cần các mạch điện tử bổ trợ

- Các xung kích lên 12V có thể gây nên tiếng ồn lớn nếu motor không đượcvặn chặt và tiếng ồn sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng củavỏ

3.2 Tạo PWM bằng phương pháp IC dao động (IC NE555)

Như chúng ta đã biết có rất nhiều IC có thể tạo được trực tiếp ra đượcxung vuông mà không cần phải tạo tín hiệu tam giác là vì trong đó nó đãtích hợp sẵn hết cả rồi, và ta chỉ việc lắp vào là xong Em lấy ví dụ, dùngdao động IC NE555 vì con IC này vừa đơn giản lại dễ kiếm,với tần số xácđịnh được là:

f = 1.44/(C1.(R1+2R2))

IC 555 có khả năng tạo tín hiệu PWM khi được thiết lập ở chế độ astable

Đây là một mạch cơ bản của IC 555 hoạt động ở chế độ astable và chúng ta cóthể nhận thấy rằng đầu ra ở mức CAO khi tụ C1 đang nạp qua các điện trở R1

và R2

Ngoài NE555 còn rất nhiều IC tạo xung vuông khác.

3.3 Tạo PWM bằng phần mềm

Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo mục xung vuông Với tạo bằngphần mềm cho độ chính xác cao về tần số và PWM Mạch của chúng tađơn giản hơn rất nhiều, xung này đươc tạo dựa trên xung nhịp của CPU.Tuy nhiên, do kĩ năng và kinh nghiệm hạn chế chúng em không sử dụngđược phương pháp này

4.Một vài ứng dụng nổi bật của PWM

4.1 PWM trong điều khiển động cơ

Điều mà chúng ta dễ dàng nhận thấy là PWM rất hay được sử dụngtrong động cơ để điều khiển động cơ như là: nhanh, chậm, thuận, nghịch,

và ổn định tốc độ cho nó Cái này được ứng dụng nhiều nhất trong điềukhiển động cơ một chiều

4.2 Trong các bộ biến đổi xung áp

Trong các bộ biến đổi xung áp thì PWM đăc biệt quan trọng trongviệc điều chỉnh dòng điện và điện áp ra tải Bộ biến đổi xung áp cónhiều loại như: bộ biến đổi xung áp nối tiếp và bộ biến đổi xung ápsong song

Kết luận:

Trong đồ án này của chúng em sử dụng phương pháp tạo PWMbằng phương pháp IC dao động NE555 Vì phương pháp này đơn giảnhơn phương pháp so sánh mà cho xung PWM với chất lượng tốt hơn

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ VÀ CHỨC NĂNG LINH KIỆN I.CHỨC NĂNG CỦA LINH KIỆN

1.1 IC NE555 tạo xung vuông

Nó hoạt động ở mức điện áp từ +5V đến +18V, Dòng tải là 200mA.

Các linh kiện được mắc bên ngoài phải được chọn đúng để có thể hiện trongkhoảng thời gian vài phút với tần số vượt quá vài trăm kHZ

Chu kì làm việc của bộ định thời NE555 có thể được điều chỉnh Công suất tiêuthụ tối đa trên mỗi IC là 600mW

1.2 Cấu hình chân của IC

Sơ đồ chân NE555

Ic này gồm 8 chân chức năng của các chân bao gôm:

Chân số 1: “ GND “ là chân nối đất, tất cả các mức điện áp đều được so sánh

với điện áp tại đường dây nối đất

chân số 2: “ trigger” là chân kích, chân trigger là chân kích đầu vào để kích

cho ic NE555 hoạt động ở chế độ đơn ổn Chân này là đầu vào đảo của bộ sosánh có nhiệm vụ làm cho transitor của flip flop chuyển trạng thái từ “set “sang “reset” Ngõ ra của bộ định thời phụ thuộc vào độ lớn xung bên ngoài đưavào chân trigger Môt xung âm

Chân số 3: “output” là chân xuất tín hiệu ra: ngõ ra ở bộ định thời luôn luôn có

sẵn ở chân này Có hai cách để một tải có thể kết nối với chân output

Cách 1 là kết nối giữ chân 3 (output ) và chân 1 (GND)

Cách 2 là giữ chân 3 và chân 8 ( chân nguồn )

Tải nối giữ chân output và chân nguồn thường được gọi là tải thường mở,tảinối giư chân output và chân GND được gọi là tải thường đóng

Chân số 4: “reset” là chân reset vi mạch Bất cứ khi nào bộ định thời bị reset,

một xung âm được đưa đến chân 4 Đầu ra được thiết lập lại trạng thái ban đầubất kể điều kiện đầu vào Khi chân này không được sử dụng, ta nối lên vcc đểtránh mọi khả năng kích hoạt sai

Chân số 5: “Control voltage” là chân điện áp điều khiển Chân ngưỡng

(threshold) và chân kích (trigger) điều khiển sử dụng chân này Biên độ sóng rađược quyết định bởi một biến trở hoặc một điện áp bên ngoài được đưa vàochân này Vì vậy, lượng điện áp trên chân này sẽ quyết định khi nào bộ so sánhđược chuyển đổi, và do đó thay đổi biên độ của đầu ra Khi không sử dụngchân này, ta nên nối đất thông qua 1 tụ 0,01 micro Farad để chống nhiễu

Chân số 6: “Threshold” là chân ngưỡng Nó là ngõ vào không đảo của bộ so

sánh 1, được so sánh với ngõ vào đảo với điện áp tham chiếu là 2/3Vcc, bộ sosánh trên chuyển sang +Vsat và đầu ra được đặt lại

Chân số 7: “discharge” là chân xả điện Chân này nối vào cực C của transistor

và thường có một tụ điện nối giữa chân xả điện và chân nối đất Nó được gọi làchân xả điện vì khi transistor dẫn bão hòa, tụ C xả điện thông qua transistor.Khi transistor ngắt, tụ được nạp thông qua điện trở và tụ bên ngoài

Chân số 8: “Vcc” là chân cấp nguồn Nguồn cung cấp trong khoảng từ 5V đến

18V

2 Tip 122

- Chức năng: dùng để khuếch đại, đóng ngắt dòng

TIP122 là một transistor NPN cặp Darlington Linh kiện điện tử này hoạt độnggiống như một transistor NPN bình thường, nhưng vì nó có cặp Darlington bêntrong nên nó có dòng collector định mức tốt khoảng 5A và dòng gain khoảng

1000 Nó cũng có thể chịu được khoảng 100V trên collector Do đó có thể được

sử dụng để chịu tải nặng

Sơ đồ chân tip 122

Transitor này được biết đến với dòng gain cao (hfe = 1000) và dòng collectorcao (IC = 5A) do đó nó thường được sử dụng để kiểm soát tải với dòng điệncao hoặc trong các ứng dụng cần khuếch đại cao Transitor này có điện ápBase-Emitter thấp chỉ có 5V do đó có thể dễ dàng điều khiển bằng thiết bị logic