điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng arduino UNO

Tathường điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp thay đổi từ thông, điềuchỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, và điều chỉnh tốc độđộng cơ bằng phương pháp thay

Mục lục

Lời nói đầu 3

CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

I Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 5

II Phương pháp thay đổi từ thông φ 6

III Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 8

CHƯƠNG II CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN 10

I Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ 10

II Bộ điều khiển Arduino Uno R3 10

1 Thông số chính Atmega328P-PU: 10

2 Thông số kĩ thuật 12

3 Nguyên lý hoạt động 12

III Bộ biến đổi L298N 13

1 Thông số kỹ thuật 14

2 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H 15

IV Mô hình động cơ một chiều 19

1 Phương trình vi phân mô tả 20

2 Hàm truyền 21

3 Phương trình trạng thái 21

V Các linh kiện khác 22

1 Cáp kết nối Arduino - PC 22

2 Testboard 23

3 Dây cắm 23

4 Động cơ DC300 24

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ LẮP MẠCH THỰC 26

I Tổng hợp mạch vòng tốc độ 26

II Mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm hệ thống 28

2 Sơ đồ mô phỏng 29

Kết luận 31

Tài liệu tham khảo 32

Danh mục hình ả

Hình 1 1 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ 5

Hình 1 2 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông 7

Hình 1 3 Sơ đồ dùng bộ biến đổi điện áp phần ứng 8

Hình 1 4 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng 9

Y Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tốc độ 10

Hình 2 2 Sơ đồ chân Atmega328P-PU 11

Hình 2 3 Thông số kĩ thuật Atmega328P-PU 12

Hình 2 8 Sơ đồ chân Arduino Uno R3 13

Hình 2 4 L298N 14

Hình 2 5 Datasheet L298 15

Hình 2 7 Sơ đồ dòng điều khiển của BBĐ 16

Hình 2 6 Mô hình động cơ DC 20

Hình 3 1 Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều 26

Hình 3 2 Sơ đồ mạch vòng tốc độ 26

Hình 3 3 Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ 26

Hình 3 4 Sơ đồ mô phỏng động cơ DC 28

Hình 3 5 Sơ đồ mạch vòng tốc độ khi bỏ qua mạch vòng dòng điện 29

Hình 3 6 Đáp ứng hệ thống 29

Hình 3 7 Sơ đồ thực nghiệm 30

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây có sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộbiến đổi điện tử công suất, với kích thước gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàngghép nối với các thiết bị vi sử lý Phần lớn các điều khiển thường dùng kĩ thuật sốvới chương trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc luậtđiều khiển, vì vậy tăng độ chính xác và tác động nhanh cho hệ truyền động Tathường điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp thay đổi từ thông, điềuchỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, và điều chỉnh tốc độđộng cơ bằng phương pháp thay đổi điện trở phụ

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn Điềukhiển hệ điện cơ và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sản xuất hiệnđại Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong

thực tế, chúng em được nhận đề tài môn học: “Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều” Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng

kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiên cứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểusâu vào tính toán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm

Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Trần Tiến Lương cùng với

sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ

án của mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránhkhỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận đượcnhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoànthiện hơn

CHƯƠNG I CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

I Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

_Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều+) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = U đm, φ = φ dm

và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Hình 1 1 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

_Ứng với R f= 0 ta có độ cứng tự nhiên β TNcó giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ

tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy,khi ta thay đổi R f ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

_Đặc điểm của phương pháp:

+) Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càngmềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ địnhmức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

+) Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điệntrở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điệntrong cần trục

+) Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được màphải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càngnhỏ thì dải điều chỉnh D = ω max/ω mincàng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnhtrong dải D = 3 : 1

+) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụlớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

II Phương pháp thay đổi từ thông φ

_Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U = Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòngđiện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trởvào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường khi động

cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (φ = φ max) mà phương pháp nàychỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướnggiảm từ thông φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi

giảm từ thông φ thì tốc độ không tải lý tưởng ω0=φ dm

Kφ φ tăng, còn độ cứng đặc tính cơ

β = −(Kφ φ)

2

R u giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1 2 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

_Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăngvượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòngđiện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phảigiảm Mt theo cùng tỉ lệ

_Đặc điểm của phương pháp:

+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng

+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với địnhmức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điềukhiển với công suất không đổi

+) Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiểnnằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ củamáy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1 Vì công suất của cuộndây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với φ ~ 1.

+) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liêntục và kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ(1 ÷ 10)% Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp) Đây là phương pháp gầnnhư là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơntốc độ điều khiển

III Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

_Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhưmáy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bịnguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sứcđiện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữuhạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb

khác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặchơn nữa

Hình 1 3 Sơ đồ dùng bộ biến đổi điện áp phần ứng

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Hình 1 4 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một

chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp U ư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao.

CHƯƠNG II CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ GIỚI THIỆU

CÁC LINH KIỆN

I Cấu trúc mạch điều khiển tốc độ

_

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tốc độ

II Bộ điều khiển Arduino Uno R3

1 Thông số chính Atmega328P-PU:

_Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họMegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóahàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi

+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V

+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

Hình 2 2 Sơ đồ chân Atmega328P-PU

 5V: Cấp điện áp 5V Imax = 500 mA.

 3.3V: Cấp điện áp 3.3V Imax = 50mA

 Vin: Cấp nguồn ngoài cho Arduino

 IOREF: Điện áp tham chiếu (phải luôn là 5V)

 RESET: Dùng kết nối với chân reset của các Shield

Hình 2 4 Sơ đồ chân Arduino Uno R3

_ Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào, cường độ dòngđiện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA

sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, phảimắc một điện trở hạn dòng Khi hoạt động, motor sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng(do hiện tượng cảm ứng điện từ) có chiều ngược với chiều dòng điện trongmạch

III Bộ biến đổi L298N

_Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC,dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúpcấp nguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp

<12VDC)

_Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sựlựa chọn tối ưu trong tầm giá.

1 Thông số kỹ thuật

 IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver

 Điện áp đầu vào: 5~30VDC

 Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp nên ápcấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W)

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

 Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

 Kích thước: 43x43x27mm

Hình 2 5 L298N

Hình 2 6 Datasheet L298

2 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H

_ Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắctheo hình chữ H

_ Bằng cách điều khiển 4 "công tắc" này đóng mở, ta có thể điều khiển đượcdòng điện qua động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự

Hình 2 7 Sơ đồ dòng điều khiển của BBĐ

_ 4 "công tắc" này thường là Transistor BJT, MOSFET hay relay Tùy vào yêucầu điều khiển khác nhau mà người ta lựa chọn các loại "công tắc" khác nhau

Theo như sơ đồ trên, ta có A và B là 2 cực điều khiển được mắc nối tiếp với 2điện trở hạn dòng, Tùy vào loại transistor bạn đang dùng mà trị số điện trở nàykhác nhau Phải đảm bảo rằng dòng điện qua cực Base của các transistor khôngquá lớn để làm hỏng chúng Trung bình thì dùng điện trở 1k Ohm

Ta điều khiển 2 cực này bằng các mức tín hiệu HIGH, LOW tương ứng là 12V

và 0V

Nhớ lại rằng:

 Transistor BJT loại NPN mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng điện

áp ở cực Collector, trong mạch đang xét hiện tại là 12V.

 Transistor BJT loại PNP mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng 0V.

Với 2 cực điều khiển và 2 mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho mỗicực, có 4 trường hợp xảy ra như sau:

A ở mức LOW và B ở mức HIGH

Ở phía A, transistor Q1 mở, Q3 đóng Ở phía B, transistor Q2 đóng, Q 4 mở.

Dó đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về GND Lúc này, động cơ quay theo chiều thuận Bạn để ý các cực (+) và (-) của động cơ là sẽ thấy.

A ở mức HIGH và B ở mức LOW

Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở Ở phía B, transistor Q2 mở, Q 4 đóng.

Dó đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động cơ đến Q3 để về GND Lúc này, động cơ quay theo chiều ngược.

Bạn có thể hình dung dòng điện trong mạch nó như thế này

A và B cùng ở mức LOW

Khi đó, transistor Q1 và Q2 mở nhưng Q3 và Q4 đóng Dòng điện không có đường về được GND do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.

A và B cùng ở mức HIGH

Khi đó, transistor Q1 và Q2 đóng nhưng Q3 và Q4 mở Dòng điện không thể chạy từ nguồn 12V ra do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.

Như vậy, để dừng động cơ, điện áp ở 2 cực điều khiển phải bằng nhau

_ Chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào 2 cực điều khiển của mạch cầu H để điềukhiển tốc độ động cơ:

 Hiệu điện thế giữa 2 cực điều khiển càng lớn thì động cơ chạy càng nhanh

 Động cơ chạy theo chiều thuận khi điện áp ở A nhỏ hơn B và ngược lại

IV Mô hình động cơ một chiều

_ Cấu tạo: Động cơ một chiều gồm có 2 phần: stato đứng yên và roto quay sovới stator,phần cảm tạo ra từ trường (thường đặt trên stator), xuyên qua các quậndây phần ứng (thường đặt trên roto), khi có dòng điện chạy qua mạch phần ứng,các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương pháptuyến với mặt trụ roto và làm roto quay, dòng điện phần ứng được đưa vào rotothông qua hệ thống chổi than và cổ góp, cổ góp sẽ giúp dòng điện trong mỗi thanhdẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đến một cực từ khác tên với cực từ mà

nó vừa đi qua (do đó lực điện từ sinh ra luân tạo ra moomen theo một chiều)._ Thông thường tốc độ của động cơ một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó vàngẫu lực quay tỉ lệ với dòng điện, do đó để điều khiển tốc độ động cơ có thể sửdụng nhiều cách như điều khiển bộ nguồn thay đổi,điều khiển dùng biến trở, dùngmạch điện tử.trong bài báo cáo này chúng em tìm hiểu điều khiển tốc độ động cơbằng cách sử dụng biến trở

_ Mô hình động cơ và sơ đồ mạch như hình vẽ:

Hình 2 8 Mô hình động cơ DC

_ Mục đích của việc thiết kế:

+ Mục đích chính là thiết kế các hệ thống điều khiển cho tốc độ quay của động

cơ sao cho thời gian để động cơ hoat động ổn định từ lúc bắt đầu mở máy cũngnhư là độ quá điều chỉnh tốc độ của động cơ so với tốc độ yêu cầu và sai lệchtĩnh của nó phải nằm trong giới hạn cho phép

+ Thương thì thời gian để ổn định tốc độ động cơ nhỏ hơn 2 giây, sai lệch tĩnhnhỏ hơn 1% và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn 5%

1 Phương trình vi phân mô tả

_ Trong đó

_ V là điện áp nguồn cấp

_ R, L là điện cảm và điện dung

_ J là moomen quán tính của rotor(kg.m2

s2 )_ b là hệ số cản (hệ số giảm sóc) (Nms)

_ Kt là hằng số phần ứng

_ Ke là hằng số động cơ (nếu lực điện động không đổi thì Kt=Ke=K)

_ T là momen xoắn của động cơ, với T=Kt*i

_ T 'là momen cản của động cơ với T '=b*Θ´

_ Từ phương trình của động cơ

T-T '= ¿JΘ´

Hay: JΘ´ + bΘ´ =ki (1)_ Áp dụng định luật kirchoff ta có được

_ Laplace cả hai vế các phương trình (1), (2) ta được hệ

s.(Js + b )Θ(s) = Ki(s)Θ(s)Θ(s) = Ki(s) = Ki(s)Θ(s) = Ki(s)

(Ls + R)Θ(s) = Ki(s).I(s)Θ(s) = Ki(s) = V-KsΘ(s)Θ(s) = Ki(s)

_ Từ hệ phương trình laplace này ta có thể rút ra được hàm truyền

2 Testboard

3 Dây cắm

+) Dòng điều khiển: Iđk = 0,041(A)

+) Điện áp điều khiển: Uđk = 3 (V)

+) Hằng số thời gian phần ứng: Tư = 5,682.10−4

+) Điện cảm phần ứng: Lư = 2,5 (mH)

+) Điện trở phần ứng: Rư = 4,4 (Ω))

+) Mômen quán tính của động cơ: J = 0,8.10 − 6 (kg.m2)

+) Hằng số thời gian điều khiển Tđk = 0,0001 (s)

+) Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu: Tv = 0,001 (s)

+) Hằng số thời gian của máy biến dòng: Ti = 0,001 (s)

+) Hằng số thời gian của máy phát tốc: Tω = 0,01 (s)