CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC 1.1 Mô tả dự án Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.2: Cấu trúc của tải Yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều để vận hành tải như hình 2.2 chạy theo tốc độ như hình bên dưới. 8 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Đồồ th ị tồố c đ ộ mong muồố n 0.3: Tốc độ yêu cầu của tải Chọn tốc độ băng tải : 0,2m/s ; chọn m=1,5Kg ; =1 Với yêu cầu như trên, ta cần xây dựng một hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh để kéo tải hoạt động mà không cần phải điều khiển thô bằng tay, tuy nhiên tốc độ tải vẫn phải đảm bảo và hoạt động ổn định. Hệ thống bao gồm: - Nguồn điện xoay chiều 220 V - Bộ biến đổi: Bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều 3 pha thành nguồn 1 chiều. - Động cơ điện 1 chiều để kéo tải.
- Tải - Cảm biến tốc độ (Encoder): Đo tốc độ thực của động cơ - Cảm biến dòng: Đo dòng điện phần ứng động cơ - Bộ điều khiển: Tính toán, xử lí để đưa ra điện áp điều khiển cần thiết - Mạch phát xung: Nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và phát xung để điều khiển bộ biến đổi. Nguyên lí chung: • Tín hiệu về tốc độ và dòng điện đầu ra của động cơ được đo bởi cảm biến và truyền về cho bộ điều khiển. • Bộ điều khiển có chức năng tính toán, xử lí một cách tự động để xuất ra tín hiệu điều khiển cần thiết cho mạch phát xung. 9 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 • Mạch phát xung làm thay đổi các góc kích mở của bộ biến đổi nên làm thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ, từ đó tốc độ thay đổi theo giá trị mong muốn ban đầu.2 Phân tích yêu cầu hệ thống Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ của tải - là momen quán tính của tải - M là khối lượng của tải - r là bán kính của rulo Áp dụng định luật II Newton cho tải M: F - Fl = M Trong đó: u= rωm Khi thiết kế có thể bỏ qua Fl, suy ra momen phụ tải như sau: T=r.Fe = Momen quán tính nhỏ có thể bỏ qua, momen điện cần thiết của động cơ là: Tem=T=r.1 Tính toán đặc tính tải yêu cầu a) Chọn tốc độ • Bán kính Rulo : =0,017m • Tốc độ quay Rulo : = • Tỷ số truyền động : ( ) 10 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 b) Xác định momen tải, quán tính • Từ 0 2 Động cơ từ = 0 = 11,76 • Từ 2 10 Động cơ giữ nguyên = 11,76 • Từ 10 12 Động cơ quay chậm từ = 11,76 về = 0 • Từ 12 14 Động cơ nghỉ = 0 • Từ 14 16 Động cơ tăng tốc theo chiều ngược lại từ = 0 = -11,76 • Từ 16 24 Động cơ giữ nguyên tốc độ = -11,76 • Từ 24 26 Động cơ tắt dần từ = -11,76 về = 0 Momen tải : Do không đáng kể ta bỏ qua momen quán tính = 0s 2s : =0,252Nm 2s 10s : =0,25Nm 10s 12s: = -0,252Nm 12s 14s: = 0,25Nm 14s 16s: = -0,252Nm 16s 24s: =0,25Nm 24s 26s: =0,252Nm c) Quy đổi momen tải về quy đổi trục động cơ Chọn tỷ số truyền = 0s 2s : =0,252Nm 2s 10s : =0,25Nm 10s 12s: = -0,252Nm 12s 14s: = 0,25Nm 14s 16s: = -0,252Nm 16s 24s: =0,25Nm 11 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 24s 26s: =0,252Nm Đồồ thị momen tải động cơ 0.5: Đồ thị momen theo thời gian d) Công suất động cơ P=.
• T = 0s : = 0W • T = 2s : = 2,96W = 2,94W • T = 10s : = 2,94W = 2,96W • T = 1214s : = 0W = 2,96W • T = 16s : = 2,96W = 2,94W • T = 24s : = 2,94W = 2,96W • T = 26s : = 0W 12 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Đôầ thị công suâốt độnng cơ 3.6: Đồ thị công suất động cơ e) Chọn Mđm và Pđm • Momen đẳng trị = 0,125 Nm • Công suất đẳng trị = 2,83 W • Công suất điện : =. 1,4 = 3,962 ( W ) Chọn động cơ giảm tốc : DC Motor : 25GA370 Công suất : 5 W Tốc độ : 500 v/ph Động cơ kích thước 25mm *(L + 31)mm Đường kính trục kích thước 4mm Vòng quay CW, CCV 13 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 1.7 Động cơ giảm tốc CHƯƠNG II : THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 2. Giới thiệu tổng quát 14 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Khi đóng S1 và S4, dòng điện sẽ đi từ nguồn qua S1 qua động cơ rồi qua S4 về mass làm cho động cơ chạy theo chiều thuận. Chiều dòng điện sẽ ngược lại khi ta đóng S2 và S3, động cơ sẽ quay nghịch.
Không được đóng cùng lúc S1 và S2 hoặc S3 và S4 vì sẽ tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ Vcc xuống GND và gây nên hiện tượng ngắn mạch. Có thể hỏng nguồn thậm chí gây cháy nổ mạnh. Và cũng không nên đóng cùng lúc cả 4 công tắt. Vì khi làm như vậy cả 2 đầu của động cơ sẽ có cùng một mức điện áp.
Sẽ không có dòng điện nào chạy qua. Đây cũng có thể coi là một cách hãm động cơ nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng 2.2 Mạch cầu H dùng MOSFET 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.
Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N: 15 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo MOSFET - G (Gate): cực cổng. G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic - S (Source): cực nguồn - D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện 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. Phân loại: - N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input. - P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ Gate Nguyên lý hoạt động Mosfet hoạt động ở 2 chế độ: đóng và mở.
Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng. 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.
16 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 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: Mosfet kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn kênh P thì Ugs ~ 0.3 Thiết kế mạch cầu H Ban đầu MOSFET không được kích, không có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để làm các khóa phía trên trong mạch cầu H.
MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng bị giảm phần nào. Dùng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 MOSFET kênh P IRF9540 làm các khoá cho mạch cầu H.
Dùng vi điều khiển để kích các MOSFET, sử dụng Opto để cách ly.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi mạch cầu H 17 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 2.4 Lý do chọn -Ta chọn mạch cầu H dùng để điều khiển động cơ vì động cơ chúng ta sử dụng là động cơ một chiều công suất thấp, tải nhỏ. Mạch cầu H đáp ứng được tiêu chí về mặt kinh tế giá thành hợp lý, độ ổn định và độ bền của hệ thống cũng rất cao, có thể điều khiển chinhs xác được tốc độ động cơ.2 Tính chọn mạch công suất điều khiển tốc độ động cơ 2.1 Chọn van công suất Chọn MOSFET làm van công suất : MOSFET kênh P (Q3 và Q4) IRF9540 Loại gói: TO-220, TO-220AB và các gói khác Loại transistor: Kênh P Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn: -100V Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn: ± 20V Dòng cực máng liên tục tối đa: -19A Điện trở cực máng đến cực nguồn trong trạng thái bật: 200 Ohm Dòng xung cực máng tối đa: -76A Công suất tiêu tán tối đa: 150W Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động tối đa: -55 đến +175 độ C. 18 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 2.4: IRF9540 Thông số : Chọn MOSFET kênh N (Q1 và Q2) IRF540 : Loại gói: TO-220 Loại transistor: Kênh N Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn: 100V Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn phải là: ± 20V Dòng cực máng liên tục tối đa là: 23A (Các nhà sản xuất khác nhau có định mức 19 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.