LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ nhanh chóng, để đạt kết có đóng góp lớn ngành kĩ thuật điện tử Với phát triển vũ bão kỹ thuật điện tử , xâm nhập vào tất ngành khoa học – kỹ thuật khác đáp ứng nhu cầu người dân Và việc ứng dụng kỹ thuật vào thực tế giúp ích nhiều cho người Để góp phần nhỏ vào việc chúng em thực đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động chiều sử dụng IC L298” thông qua đề tài chúng em có điều kiện tốt để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang đường chọn Trong thời gian nghiên cứu làm đồ án dựa vào kiến thức học trường, qua số sách, tài liệu có liên quan với giúp đỡ tận tình thầy giáo bạn đồ án mơn học chúng em hồn thành Mặc dù cố gắng nghiên cứu trình bày khơng thể tránh khỏi sai sót nhầm lẫn, chúng em mong thầy, giáo bạn đóng góp ý kiến quý báu để đồ án mơn học hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực : NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN : Hưng Yên , ngày.… tháng 02 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN : Phần Mở đầu 1.1.Lí chọn đề tài 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3.Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1.Mục đích PHẦN 2:NỘI DUNG 2.1 Động điện chiều 2.1.1 Khái niệm chung: 2.2 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều 12 2.2.1 Khái niệm chung: 12 2.2.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng: 13 2.2.3 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ: 15 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI 16 2.4Các linh kiện sử dụng mạch 17 2.4.1ĐIỆN TRỞ 17 2.4.2 TỤ ĐIỆN 19 2.4.3 IC NE555 21 2.4.4 IC L298 26 2.5Sơ đồ nguyên lý 28 2.5.1 Khối nguồn 28 2.5.2 Khối tạo xung 28 2.5.3 Khối điều khiển tốc độ 29 2.4Sơ đồ board 29 KẾT LUẬN 30 3.1 KẾT LUẬN 30 3.2 HẠN CHẾ 30 3.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 31 Phần Mở đầu 1.1.Lí chọn đề tài Cùng với phát triển khoa học công nghệ, trang thiết bị điện tử ngày sử dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống mang lại hiệu kinh tế cao Đặc biệt từ đời linh kiện bán dẫn với độ tích hợp cao điện tử lại khẳng định vị đời sống Trong năm gần công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ, với vi mạch có ưu điểm nhỏ gọn, dung lượng lớn … mang lại thay đổi sâu sắc cho ngành kĩ thuật điện tử Từ linh kiện nhỏ chế tạo máy móc đại Chính vậy, ngày nay, với ngành khoa học ngày phát triển có nhiều mạch ổn áp cung cấp cho đầu ổn định ngày thu gọn kich cỡ chất lượng giá thành sản phẩm thực tế, nguồn chiều ứng dụng phổ biến rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống Từ tầm quan trọng ứng dụng thực tế động điện chiều dựa vào kiến thức học tự tìm hiểu, em chọn đề tài:” Điều khiển tốc độ động điện chiều” để qua tìm hiểu kĩ nguyên lí hoạt động mạch điện đồng thời củng cố thêm kĩ thiết kế mạch điện tương tự 1.2 Tính cấp thiết đề tài Ngày sống thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa.Đất nước ta ngày phát triển nhu cầu điều khiển sử dụng động điện chiều cao Trong sinh hoạt sản xuất nhu cầu điều khiển tốc độ động cần thiết cấp bách 1.3.Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1.Mục đích Nâng cao khả nhận thức sinh viên tầm quan trọng động điện chiều công phát triển đất nước Giúp sinh viên nắm kiến thức tổng quan linh kiện điện- điện tử.Từ vận dụng kiến thức vào việc thiết kế chế tạo sản phẩm đáp ứng nhu cầu đề PHẦN 2:NỘI DUNG 2.1 Động điện chiều 2.1.1 Khái niệm chung: Động chiều đựơc sử dụng với số lượng lớn kĩ thuật thiết kế đặc trưng tốc độ quay (tốc độ xoắn) khả thi với cấu hình điện khác Tốc độ động chiều kiểm sốt cách êm đa số trờng hợp (thì) đảo ngược chiều quay Từ động chiều có hiệu suất cao qn tính từ lực xoắn tới rơ to, chúng trả lời (đáp ứng) nhanh chóng Đồng thời, phanh động lực nơi mơtơ phát sinh lượng cấp tới điện trở cảm biến, phanh phục hồi (phản hồi), nơi mô tơ phát sinh lượng cấp (nuôi) trở lại nguồn cung cấp điện chiều, thực ứng dụng nơi mong muốn dừng nhanh hiệu cao Dựa vào cách từ trường phần tĩnh ( stator) tạo ra, bên động chiều chia làm loại khác nhau: nam châm vĩnh cửu, vết khía mạch rẽ nhánh (mạch song song), vết khía mạch nối tiếp, vết khía mạch hỗn hợp Sơ đồ điện, đường cong mơ men xoắn- tốc độ, đường cong dòng điện- mơ men xoắn cho cấu hình minh hoạ hình từ I-2 đến I-5 Hình I-1 minh họa đồ thị mômen xoắn-tốc độ động mà cho thấy mơmen xoắn mà động cung cấp tốc độ khác điện áp định Với mô men xoắn cho cung cấp động , đồ thị dòng điện-mơ men xắn sử dụng để đạo hàm định lượng dòng điện định điện áp quy định sử dụng Như kinh nghiệm (quy luật) chung, động chuyển giao (truyền) mô men xoắn lớn (tại) tốc độ thấp, mơ men xoắn có nghĩa dòng điện động lớn Mơ men khởi động hặc mô men cản T s mô men lớn mà động sản tốc độ không tương ứng với khởi động tải động tốc độ không tải ωmax tốc độ trì lớn mà động đạt được; tốc độ thực khơng có tải trọng mơ men xoắn ứng dụng tới động ( chạy khơng) Trong hình từ I-2 đến I-5, V điện áp chiều nguồn cung cấp, I A dòng điện cuộn rơ to, IF dòng điện cuộn stato, I L toàn dòng tải phát nguồn cung cấp điện chiều Sự điều khiển điện áp ứng dụng từ dòng điện thay đổi chiều từ trường rotor Động PM lý tưởng ứng dụng điều khiển máy tính mối quan hệ tuyến tính đặc trưng mơmen xoắn-tốc độ Thiết kế điều khiển ln ln đơn giản động tuyến tính từ phân tích hệ thống đơn giản hố nhiều.Khi động sử dụng vị trí trình ứng dụng điều khiển với cảm biến phản hồi tới điều khiển, xem (quy vào) động servo Các động PM sử dụng ứng dụng công suất thấp mà định lượng công suất thường giới hạn đến mã lực (3728 W) nhỏ hơn, với phân loại theo sức ngựa nhỏ phổ biến Động chiều PM quét chổi than, không chổi than, động bước Các động mạch nhánh (mạch rẽ, hay mạch song song ) ( hình I-3 ) có lõi cuộn kích từ kết nối song song, chúng khởi động nguồn cung cấp Tồn dòng điện tải tổng dòng lõi (cốt) dòng kích từ Các động mạch rẽ ( động kích từ song song ) cho thấy tốc độ gần số dải lớn tải trọng, có mơ men xoắn khởi động Các động kích từ nối tiếp (Hình I-4) có lõi cuộn kích từ mắc nối tiếp đồng thời dòng kích từ dòng lõi Các động kích từ nối tiếp cho mơ men xoắn khởi động lớn, tốc độ quay biến đổi cao phụ thuộc tải trọng, tốc độ cao tải trọng nhỏ Trong thực tế động kích từ nối tiếp loại lớn gây trượt khốc liệt chúng tải trọng (ví dụ việc sử dụng dây đai, đai trượt) lực động lực tốc độ cao Điều gọi chạy phá hỏng Tuy nhiên động nạp lại tải, điều khơng khơng đặt vấn đề Đường đồ thị mô men xoắn-tốc độ cho động kích từ nối tiếp đường có dạng hyperbolic, cho thấy mối liên hệ ngược mô men xoắn tốc độ công suất gần số dải rộng Các động hỗn hợp (hình I-5) bao gồm cuộn kích từ nối tiếp song song, kết tổ hợp đặc trưng động kích từ nối tiếp động kích từ song song Một phần tồn dòng tải truyền qua lõi cuộn nối tiếp, giữ nguyên dòng tải truyền qua cuộn mạch rẽ Tốc độ lớn động hỗn hợp bị giới hạn, khơng giống động kích từ nối tiếp, điều khiển tốc độ khơng tốt so với động mạch rẽ ( động kích từ song song ) Mơ men xoắn sinh động hỗn hợp có phần nhỏ động kích từ nối tiếp có kích thước Lưu ý khơng giống động nam châm vĩnh cửu, cực tính điện áp cho động mạch rẽ nhánh (động kích từ song song ), động kích từ nối tiếp, động chiều hỗn hợp bị thay đổi, chiều quay không đổi Lý cho điều cực tính stator rotor thay đổi theo từ trường cuộn lõi bị kích hoạt nguồn 2.1.2 Phương trình động lực học động điện chiều PM Khi lõi động kiểm tra với đồng hồ đo trở kháng với lõi định vị vào vị trí, Trở kháng động xuất tương đương với điện trở R mạch nối tiếp với tổ hợp song song cảm kháng L điện trở thứ hai RL RL, tổn thất điện trở mạch từ, gần loại với điện trở có độ lớn lớn R, điện trở cuộn, thường đơn giản Nếu cho điện áp sử dụng cho lõi Vin dòng điện chạy qua lõi Iin, phương trình điện cho động là: RL Iin Vin R L Vemf Hình I-6 Mạch tương đương cho lõi động Vin = L d.Iin + RIin + ke w (I-2-1) dt T=kt.Iin (I-3-1) kt định nghĩa số momen xoắn động Hằng số điện k e số momen xoắn kt động điện PM tham số quan trọng, chúng thường thông báo đặc điểm kỹ thuật nhà sản xuất Khi động lực học hệ thống xem xét, momen xoắn T động cho T (J d w = + J ) +T +T a L dt in L (I-3-2) Ja JL momen độc cực quán tính phần ứng gắn liền tải trọng, T in momen cản chống lại quay phần ứng, TL chống lại momen xoắn tải Khi động nối với nguồn điện, phần ứmg tăng tốc đạt tới trạng thái ổn định Tại trạng thái ổn định, phương trình I-2-1 trở thành (I-3-3) Tìm Iin phương trình I-3-1 thay vào phương trình I-3-3 ta có Vin = R.Iin + ke.w Phương trình nói lên mối liên hệ tuyến tính momen xoắn vận tốc động chiều PM với điện áp không đổi Giải vận tốc cho w * = / wmax (I-3-9) Vì vận tốc tốt chạy động nam châm vĩnh cửu để đạt công suất đầu cực đại nửa vận tốc khơng tải Ngồi số momen số điện, nhà sản xuất thờng rõ điện 10 2.4Các linh kiện sử dụng mạch 2.4.1ĐIỆN TRỞ 2.4.1.1Khái niệm : điện trở linh kiện điện tử thụ động thiếu mạch điện điện tử , chúng có tác dụng cản trở dòng điện tạo sụt áp để thực chức khác tùy theo vị trí điện trở mạch : Đơn vị : ôm (  ) Cơng thưc tính : R   l s 10 Điện trở thường ,8 5W Điện trở công suất 10W Điện trở công suất Biến trở 2.4.1.2 Các loại điện trở : 1.Điện trở than : Gồm có ba loại sau Than ép : Loại có cơng suất < 3W hoạt động tần số thấp Màng than: Loại có cơng st >3W hoạt động tần số cao Dây quấn : Loại có cơng suất > 5W hoạt động tần số cao 16 2.Điện trở công suất :Gồm ba loại sau Công suất nhỏ : Kích thước nhỏ Cơng suất trung bình : Kich thước lớn Công suất lớn : Kich thước lớn 3.Biến trở : Là loại điện trở có khả thay đổi giá trị 4.Quang trở :Có thể thay đổi thơng số nhờ vào ánh sáng Bên cạnh có số loại điện trở khác như: Điện trở nhiệt , điện trở dây quấn , điện trở ximang, điển trở thay đổi điện áp, mạng điện trở điện trở cầu trì 2.4.1.3 Các kiểu ghép điện trở Ghép nối tiếp : Ghép song song: 2.4.1.4 Ứng dụng Cầu phân áp 2.Phân phối dòng điện thich hợp cho tải 2.4.1.5 Các thông số anh hưởng điện trở Nhiệt độ 2.Thời gian 3.Cao tần 2.4.1.6 Cách kiểm tra điện trở 17 1.Kiểm tra mát thường : 2.Kiểm tra đồng hồ vạn : Xem có với giá trị thực ghi điện trở không, Kiểm tra để đo biến trở : -Vặn đồng hồ thang đo Ohm -Đo cặp chân 1-3 đối chiếu với giá trị ghi điện trở -Đo tiếp cặp chân 1-2 dùng tay chinh thử xem kim đồng hồ có thay đổi khơng : + Nếu thay đổi chậm ta xác định VR loại A + Nếu thay đổi nhanh ta xác định VR loại B + Nếu kim đồng hồ thay đổi chuyển hẳn  biến trở bị đứt + Nếu kim đồng hồ thay đổi lại chuyển  lại trở vị trí gần biế trở bị bẩn , rỗ mặt 2.4.1.7 Những hư hỏng thường gặp điện trở Đối với VR loại than thường gặp hư hỏng :đứt , bẩn, rỗ mặt than Trường hợp mặt than bị bẩn , rỗ mặt gây hư hỏng thường gặp thực tế Để khắc phục nhanh hỏng hóc trường hợp ta dùng xịt gió thổi cáu bẩn , nhỏ dầu máy khâu vào biến trở xong Cháy làm việc công suất Đứt đo Ω không lên Tăng trị số thường sảy với điện trở bột than , lâu ngày hoạt tính bột than bị biến chất làm tăng trị số điện trở Giảm trị số thường sảy với điện trở giấy quấn ,do lâu ngày bị chạm số vòng dây 18 2.4.2 TỤ ĐIỆN 2.4.2.1: Khái niệm : Tụ điện gồm hai cực ghép song song làm chất dẫn điện ,giữa hai cực chất điện môi (cách điện ), bình điện nhỏ , nạp phóng điện lúc cần thiết Giá trị dòng điện qua tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến dổi điện áp theo thời gian: Cơng thức: i=c 2.4.2.2 Chức : Tụ điện ngăn khơng cho dòng điện chiều qua , cho phép dòng xoay chiều qua chế phóng nạp điện tích hai tụ Khả nạp , xả nhiều hay phụ thuộc vào điện dung C tụ điện Tụ điện linh kiện lưu điện tích tích lũy nượng dạng điện trường Khi sử dụng cần quan tâm đến hai thông số : + Điện dung : Cho biết khả chứa điện tụ điện + Điện áp :Cho biết khả chịu đựng tụ điện Đơn vị: fara (F),  F, nF 2.4.2.3 Các loại tụ điện : 104 203 25 C = 20.103 pF = 20 nF U = 25V 50 C = 0,01  F U = 50V 1500 ,5 K V C = 1500 pF U = 1,5KV 19 10µF 16V 100µF 50V 1000µF 25V C = 10  F C = 1000  F U = 16V U = 25V Bên cạnh loại tụ nói có loại tụ khác : Tụ giấy , tụ mica , tụ màng mỏng , tụ tantal , tụ biến đổi , tụ không phân cực , màng tụ điện … 2.4.2.4 Các cách ghép tụ A ghép nối tiếp B ghép song song 2.4.2.5 Ứng dụng tụ điện Tụ điện sử dụng nhiều ký thuật điện điện tử -Dùng để làm lệch pha , tạo từ trường quay để làm quay moto -Dùng để bù pha tránh tượng lệch pha mạch điện xoay chiều ba pha -Để lọc điện nắn , làm tụ lọc tụ liên lạc , phân dòng mạch khuếch đại âm tần -Tụ có giá trị điện dung bé thường dùng nhiều khu vực mạch cao tần -Tụ biến đổi dùng để lắp mạch cộng hưởng có tần số điều chỉnh … 2.4.3 IC NE555 Thông số + Điện áp đầu vào : - 18V ( Tùy loại 555 : LM555, NE555, NE7555 ) 20 + Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA + Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất tiêu thụ (max) 600mW Chức 555 + Tạo xung + Điều chế độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại) Bố trí chân sơ đồ nguyên lý Hình dạng 555 hình hình Loại chân hình tròn loại chân hình vng Nhưng thị trường Việt Nam chủ yếu loại chân vng 21 Nhìn hình ta thấy cấu trức 555 tương đương với 20 transitor , 15 điện trở diode phụ thuộc vào nhà sản xuất Trong mạch tương đương có : đầu vào kích thích , khối so sánh, khối điều khiển chức hay công suất đầu ra.Một số đặc tính 555 : Điện áp cung cấp nằm khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ đến mA Tất IC thời gian cần tụ điện ngồi để tạo thời gian đóng cắt xung đầu Nó chu kì hữu hạn tụ điện (C) nạp điện hay phòng điện thơng qua điện trở R Thời gian xác định thông qua điện trở R tụ điện C Đường cong nạp tụ điện Mạch nạp RC hình Giả sử tụ ban đầu phóng điện Khi mà đóng cơng tắc tụ điện bắt đầu nạp thơng qua điện trở Điện áp qua tụ điện từ giá trị lên đến giá trị định mức vào tụ Đường cong nạp thể qua hình 4A.Thời gian tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp hiểu thời gian số Giá trị thời gian tính cơng thức đơn giản sau: 22 t = R.C IC NE555 N gồm có chân + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC + Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở ngồi cho nối GND Chân khơng nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện 23 Nhìn vào sơ đồ mạch ta có cơng thức tính tần số , độ rộng xung + Tần số tín hiệu đầu f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) + Chu kì tín hiệu đầu : t = 1/f + Thời gian xung mức H (1) chu kì t1 = ln2 (R1 + R2).C + Thời gian xung mức L (0) chu kì t2 = ln2.R2.C Như cơng thức tổng qt 555 Tơi lấy ví dụ nhỏ : để tạo xung dao động f = 1.5Hz Đầu tiên chọn hai giá trị đặc trưng R1 C2 sau ta tính R1 Theo cách tính tốn ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k (Tính tốn theo cơng thức) 24 2.4.4 IC L298 L298D chip toch1 hợp mạch gói 15 chân L298D có điện áp danh nghĩa cao (lớn 50V) dòng điện danh nghĩa lớn 2A nên thích hợp cho ứng dụng công suất nhỏ động DC loại vừa nhỏ Hình 20: Sơ đồ chân IC L298D (phải) IC L298D (trái) Hình 21: Sơ đồ nguyên lí IC L298D 25 Có mạch cầu H chip L298D nên điều khiển đối tượng riêng với chip Mỗi mạch cầu H bao gồm đường nguồn Vs (thật đường chung cho mạch cầu), chân current sensing (cảm biến dòng) phần cuối mạch cầu H, chân không nối đất mà bỏ trống người dùng nối điện trở nhỏ gọi sensing resistor.Bằng cacch1 đo điện áp rơi điện trở tính dòng qua điện trở, dòng qua động cơ, mục đích việc để xác định dòng tải Nếu việc đo lường khơng cần thiết ta nối chân với GND Động nối với chân OUT1, OUT2 OUT3, OUT4.Chân EN (ENA ENB) cho phép mạch cầu hoạt động, chân kéo lên mức cao L298D không dùng để đảo chiều động mà điều khiển vận tốc động PWM.Trong thực tế, công suất thực ma L298D tải nhỏ giá trị danh nghĩa (U =50V, I =2A) Để tăng dòng tải chíp lên gấp đơi, nối hai mạch cầu H song song với (các chân có chức mạch cầu nối chung) 26 2.5Sơ đồ nguyên lý 2.5.1 Khối nguồn 2.5.2 Khối tạo xung 27 2.5.3 Khối điều khiển tốc độ 2.4Sơ đồ board 28 Nguyên lý hoạt động: Điện áp đưa vào khối tạo xung,điện áp điều chỉnh biến trở Điện áp đầu khối tạo xung đưa vào đầu vào khối điều khiển tốc độ Để điều khiển động chạy với tốc độ mong muốn,ta điều chỉnh điện áp đầu vào khối điều khiển tốc độ KẾT LUẬN 3.1 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm tòi, nghiên cứu lựa chọn hướng dẫn tận tình thầy giáo, đến đề tài chúng em hoàn thành Q trình nghiên cứu thi cơng, nhóm hồn thành nội dung đề tài nêu ra:  Tính tốn, thiết kế chế tạo thành cơng mạch điều khiển tốc độ động  Hoàn thành đồ án theo tiến độ giao Với cá nhân nhóm, sau thực xong đề tài có thêm nhiều kiến thức động điện chiều sống sinh hoạt công nghiệp 3.2 HẠN CHẾ Một sản phẩm hồn thiện ứng dụng vào thực tế đòi hỏi phải trải qua thời gian thử nghiệm dài Tuy nhiên, điều kiện thời gian ngắn cộng với trình độ nhóm thực hạn chế, kiến thức học chúng em chưa có nhiều ứng dụng vào thực tế nên giải số vấn đề khơng tránh khỏi thiếu sót Hy vọng đồ án tài liệu tham khảo cho bạn sinh viên khóa sau quan tâm để hoàn thiện cho sản phẩm bước đưa vào ứng dụng thực tế 29 Cuối chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo bạn bè đặc biệt thầy giáo, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài Chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo tồn thể bạn để đề tài chúng em hoàn thiện Mong bạn sinh viên nghiên cứu tiếp tục phát triển đề tài để đề tài mang tính ứng dụng thực tế cao 3.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong trình thực đề tài nhóm nỗ lực vừa nghiên cứu vừa mở hướng cho đề tài phong phú, song thời gian, kiến thức kinh tế có hạn nên đề tài nhiều hướng mở mà chúng em đưa để sau phát triển đề tài Sau nhóm có số hướng phát triển thêm để hồn thiện ứng dụng đề tài thực tế sau:  Ứng dụng sản phẩm công nghiệp để nâng cao mục đích sử dụng sản phẩm 30