CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.2. Thiết kế hệ thống điều khiển
4.2.1. Thiết kế hệ thống mạch động lực
4.2.1.1. Nguồn nuôi động cơ
Hình 4.13: Mạch nguồn nuôi động cơ
Hình 4.14: Mạch nguồn nuôi bộ điều khiển
1. Mạch nguồn cho phần động lực hình 4.13 gồm một jack DC 2A, cầu chì để bảo vệ mạch, công tắc điều khiển nguồn vào hệ thống mạch động lực, Led để báo hiệu trạng thái nguồn DC và một tụ lọc 2200F/50V. Nguồn DC này chỉ dùng để cấp nguồn cho động cơ.
2. Mạch nguồn cho phần thiết bị điều khiển, bộ điều khiển và cung cấp điện áp 5V cho các Opto PC817 hình 4.14 gồm có 1 IC ổn áp 12V sang 5C.
Đồng thời điện áp được ổn áp qua 2 tụ lọc C4 và C2 nhằm đảm bảo điện áp ổn định 5V và nhằm làm phẳng điện áp ra.
4.2.2.2. Mạch công suất H – Bridge:
Hình 4.15: Mạch công suất H-Bridge
Mạch công suất H-Bridge được xây dựng từ các phần tử công suất MOSFET IRF840. Nó nhận điện áp một chiều từ mạch chỉnh lưu động lực hình 4.15 cung cấp cho động cơ. Điện áp cung cấp cho động cơ được điều khiển bởi mạch điều chế độ rộng xung PWM và tín hiệu điều khiển hướng. Với mạch công
suất H-Bridge ta có thể điều khiển động cơ ở tất cả các chế độ. Điện trở R11 được dùng để đo dòng điện.
4.2.2.3. Mạch điều chế độ rọng xung.
Hình 4.16: Mạch xuất tín hiệu băm từ PIC
4.2.2.4. Mạch cách ly điện áp cao với vi điều khiển.
Hình 4.17: Mạch cách ly phần động lực và mạch điều khiển
Mạch điều chế độ rộng xung được thể hiện ở hình ở hình 4.16, mạch hình 4.17 dùng để cách ly giữa mạch động lực cầu H-bridge, với mạch xuất tín hiệu điều khiển băm điện áp từ PIC các cực cổng (G) của MOSFET IRF840 được kích bởi các ngõ ra của Opto PC817 tương ứng.
Nguồn cung cấp cho Opto có 2 nguồn: 5V được lấy ở mạch điều khiển là mạch cấp nguồn 5V cho các Opto, đồng thời tạo ra các điểm 0: GND tách biệt để nối với các điểm (S) của Mạch cầu H-Bridge.
4.2.2.5. Mạch giới hạng điện áp cao.
Trong hệ thống điều tốc sử dụng PWM, động cơ giảm tốc hoặc tắt máy, động năng của động cơ và của bộ phận phụ tải sẽ biến thành điện năng qua bộ biến đổi PWM phản hồi về nguồn điện một chiều. Nhưng do thường bộ chỉnh lưu là không điều khiển, do vậy không cho phép phản hồi điện năng, đành phải nạp vào tụ lọc làm cho điện áp nguồn tăng lên, và vì thế gọi là bơm cao điện áp.
Nếu muốn cho tụ hấp thu toàn bộ năng lượng phản hồi, tụ phải có điện dung rất lớn. Do đó ta dùng thêm mạch điện hạn chế điện áp bằng điện trở phân dòng R và transistor công suất như hình vẽ.
Hình 4.18: Mạch nguyên lý giới hạn điện áp cao
Lúc điện áp hai đầu tụ vượt quá giá trị cho phép. Transistor mở thông mạch với điện trở phân dòng, làm cho một phần của năng lượng phản hồi tiêu hao trên điện trở phân dòng
Hình 4.19: Mach giới hạn điện áp cao
Điện trở R1 và R2 được chọn theo biểu thức sau:
Khi điện áp Vin của cầu H-Bridge lớn hơn điện áp chuẩn Vref thì ngõ ra OpAmp có mức logic 1. mức logic này làm cho transistor Q dẫn, khi đó sẽ có dòng điện chạy qua điện trở R. R là 1 điện trở công suất. Năng lượng điện sẽ được chuyển thành nhiệt tại điện trở này.
4.2.2.6. Mạch đo lường dòng điện.
Hình 4.20: Mạch đo dòng điện
Dòng điện qua động cơ được đo như sau : Dùng một điện trở công suất mắc như mạch hình 4.20. Qua điện trở R11 ta thu được điện áp. Điện áp thu được qua điện trở này có thể dương và âm. Qui ước dòng điện sẽ có giá trị dương khi động cơ quay thuận, dòng điện có gia trị âm khi động cơ quay ngược. Vì vậy ta phải dùng mạch như trên để xác định độ lớn và dấu của dòng điện.
Opamp (1) dùng trong chế độ khuếch đại vi sai và xác định dấu dòng điện.
Read-1-A tỉ lệ với điện áp sai lệch đầu vào, phụ thuộc vào giá trị các điện trở ghép trong mạch, và có dấu là dấu của điện áp sai lệch của V1 và V2. Cổng đệm để xác
Vin 2
1 2
V ref U x n R R R
định mức logic. Nếu Vout1 âm thì ngõ ra cổng đệm có mức logic là 0. Nếu Vout1 dương ngõ ra cổng đệm có mức logic là 1.
Hai Opamp (2) còn lại thực hiện mạch chỉnh lưu tòan kỳ. Điện áp Vout có thể là dương hoặc âm. Mạch này chỉnh lưu điện áp đến bộ AD của PIC là luôn luôn dương.
4.2.2.7. Mạch lấy tính hiệu ENCODER.
Hình 4.21: Mạch dao tiếp tính hiệu ENCOER
- Động cơ DC được chọn có bộ Encoder 200 xung /vòng và cung cấp 2 pha : Pha A và Pha B. Xung của 2 pha này được đưa về PIC qua mạch phần cứng:
1. Ngõ ra tín hiệu Encoder là cực thu để hở (Open Collector), vì thế ta dùng điện trở kéo lên R7 và R8.
2. Mạch Opamp mắc theo kiểu so sánh dùng để lấy mức logic 0 và 1, ngưỡng so sánh là 2.5V, đồng thời chống nhiễu.
3. Mạch Trigger 74HC14 dùng để sửa dạng xung. Vì ta mong muốn là xung Encoder phản hồi về phải gần như lý tưởng, nghĩa là cạnh lên và cạnh xuống gần như thẳng đứng.
Xung của pha A được đưa đến ngõ vào chân số 33 của PIC (RB0/INT) dùng để xác định tốc độ động cơ bằng khối INT bên trong PIC kết hợp với phần mềm.
Xung pha B được đưa đến ngõ vào chân số 16 của PIC (RC1/T1OSO) được dùng để kết hợp với pha A để xác định chiều quay của trục động cơ.