Luận văn Điều khiển tốc độ quay của động cơ DC

Luận văn Đề tài: Điều khiển tốc độ quay của động cơ DC Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 1 Việt Nam đang là một nước phát triển và giàu mạnh, để thay đổi nhanh chóng bộ mặt của đất nước Việt Nam như ngày hôm nay thì đã có nhiều đứa con Việt đã âm thầm, học tập, nghiên cứu trên mọi lĩnh vực. Nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành điện tử nói riêng. Thế hệ trẻ của chúng ta không ngừng phấn đấu học hỏi thì chúng ta sẽ sớm thụt lùi và lạc hậu nhanh chóng. Chính vì điều đó đã làm cho trường “ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM” đã sớm chủ trương đào tạo theo hình thức sâu rộng, từ thấp đến cao. Để tăng chất lượng học tập thì nhà trường nói chung và khoa điện tử nói riêng đã tạo điều kiện và tổ chức cho sinh viên làm các đồ án. Chính vì làm các đồ án như thế này thì Sinh viên mới nắm bắt được hết những căn bản, từ đó dần nâng cao kiến thức của mình. Vì lẽ đó mà nhóm chúng em đã tham khảo nhiều tài liệu và đi đến quyết định là chọn đề tài: “Điều khiển tốc độ quay của động cơ DC”. MỤC LỤC Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 2 Phần 1: Giới thiệu các linh kiện trong mạch ---------------------------------- 6 1.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch ------------------------------------------ 6 1.2 Giới thiệu linh kiện và tính toán thiết kế mạch --------------------------- 6 1.2.1 Tụ điện --------------------------------------------------------------- 6 1.2.2 Điện trở -------------------------------------------------------------- 7 1.2.3 Diode ----------------------------------------------------------------- 7 1.2.4 Led đơn -------------------------------------------------------------- 8 1.2.5 Transistor ------------------------------------------------------------ 8 1.2.6 IC 4017 -------------------------------------------------------------- 9 1.2.7 IC 7408 ------------------------------------------------------------- 12 1.2.8 IC 7805 ------------------------------------------------------------- 14 1.2.9 Relay ---------------------------------------------------------------- 14 1.2.10 Encoder ------------------------------------------------------------ 14 Phần 2: Sơ đồ khối và chức năng từng khối. 2.1 Sơ đồ khối -------------------------------------------------------------------- 15 2.2 Chức năng từng khối -------------------------------------------------------- 16 Phần 3: Sơ đồ mạch (nguyên lí + mạch in) và nguyên lí hoạt động mạch 3.1 Sơ đồ nguyên lí -------------------------------------------------------------- 17 3.2 Sơ đồ mạch in ---------------------------------------------------------------- 18 3.3 Hoạt động của mạch -------------------------------------------------------- 19 Phần 4: Kết luận ----------------------------------------------------------------- 20 Phần 5: Tài liệu tham khảo ----------------------------------------------------- 21 PHẦN 1 Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 3 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 1.1 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH: ¾ Điện trở. ¾ Tụ điện. ¾ Diode 1N4007. ¾ Công tắc DIP 10. ¾ Transistor C1815, D718. ¾ Relay 12V. ¾ IC 7408, 4017, 7805. ¾ Led đơn hiển thị. ¾ Động cơ 12V + 1 Encoder. 1.2 GIÔÙI THIEÄU LINH KIEÄN VAØ TÍNH TOAÙN THIEÁT KEÁ MAÏCH 1.2.1 Tụ điện: Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằng kim loại ghép cách nhau một khoảng d ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chất điện môi cách điện có điện dung C. Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản dòng điện một chiều. Khi tụ nạp điện thì tụ sẽ bắt đầu nạp điện từ điện áp là 0V tăng dần đến điện áp UDC theo hàm số mũ đối với thời gian t. Điện áp tức thời trên hai đầu tụ của tụ được tính theo công thức: Uc (t) = UDC(1-e-t/τ). Khi tụ xả điện thì điện áp trên tụ từ trị số VDC sẽ giảm dần đến 0V theo hàm số mũ đối với thời gian t. Điện áp trên hai đầu tụ khi xả được tình theo công thức: Uc (t)= UDC.e-t/τ Trong đó: t: thời gian tụ nạp, đơn vị là giây (s). e = 2,71828 τ =RC (đơn vị là –s) Công thức tính điện dung của tụ: Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 4 C = ε.S/d ε: là hằng số điện môi s: là điện tích bề mặt tụ m2 d: là bề giày chất điện môi 1.2.2 Điện trở: Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp.Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử. Điện trở của dây dẫn có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn. Công thức tính: R =ρℓ/S hoặc R=U/I Trong đó : ρ: là điện trở suất của vật liệu, Ωm hay Ωmm2/m S: là tiết diện của dây, m2 hay mm2 ℓ : là chiều dài của dây (m). R : điện trở, Ohm (Ω). Điện trở có đơn vị tính là Ohm, viết tắt là Ω. 1.2.3 Diode: Diode được cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p-n được ghép với nhau. Diode thông dụng nhất là 1N4007, có chức năng dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế 1 chiều. Tùy lọai của Diode mà nó có thể chịu đựng được dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu đựng đến vài trăm A. Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 5 Silic. Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và dòng ngược tối đa (điện áp đánh thủng). Hai đặc tính này sẽ do nhà sản xuất cho biết. 1.2.4 Led đơn : Led đơn là một dạng của Diode. Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Ở một số chất bán dẫn đặc biệt như (GaAs) khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng). Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có màu khác nhau. Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diode nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao. Phân cực thuận : VD = 1,4V – 1,8 V(led đỏ). VD = 2V – 2,5V (led vàng). VD= 2V – 2,8 V(led xanh lá). ID= 5mA – 20mA (thường chọn 10mA). Led thường được dùng trong các mạch trạng thái báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch như báo nguồn, trạng thái thuận hay ngược… 1.2.5 Transistor : C1815 là Transistor BJT gồm ba miền tạo bởi hai tiếp giáp p–n, trong đó miền giữa là bán dẫn loại p. Miền có mật độ tạp chất cao nhất, kí hiệu n+ là miền phát (emitter). Miền có mật độ tạp chất thấp hơn, kí hiệu n, gọi là miền thu (collecter). Miền giữa có mật độ tạp chất rất thấp, kí hiệu p, gọi là miền gốc (base). Ba chân kim loại gắn với ba miền tương ứng với ba cực emitter (E), base (B), collecter (C) của transistor. Đặc tính kỹ thuật của transistor : -Điện áp giới hạn : có 3 loại : BVCEO : điện áp đánh thủng giữa C và E khi cực B hở. BVCBO : điện áp đánh thủng giữa C và B khi cực E hở. BVEBO : điện áp đánh thủng giữa E và B khi cực C hở. Trườ Icmax Dòn Dòn Chứ mạc Khi tran 1.2. Đây Hìn IC 4 sau: phép ng ĐHCN T -Dòng đ là dòng đ g tối đa đư g tối đa đư c năng củ h điện. -Công s có dòng sistor, côn Ký hiệu 6 Giới thi là một IC h dáng của 017 có tổ o C là trong k o C p.HCM iện giới h iện tối đa a vào cực a vào cực a transisto uất giới hạ điện qua g suất sinh : transisto ệu IC 401 chia tần v IC 4017: ng cộng số hân số 16 hoảng từ hân số 8 l ạn : ở cực C và B là : 10m C là : 100 r chủ yếu n : transisor ra được t r loại NPN 7: ới hệ số ch chân là 1 là chân n 3-15 V. à chân nối Đồ án 1: Đ Ibmax là dò A. mA. là khuyếc sẽ sinh r ính theo cô ia tần từ 2 6, trong đ guồn Vcc mass. iều khiển tố ng điện tố h đại tín h a 1 công ng thức : tới 10. ó chức năn hoạt động c độ quay c i đa ở cực iệu và đó suất nhiệt PT=IC.VCE g của từn với mức ủa Động cơ b. ng ngắt cá làm nón g chân nh điện áp ch c g ư o Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 7 Ngoài các chân nguồn và mass thì IC 4017 có các chân có chức năng hoạt động rất quan trọng là: o Chân 15 là chân Master Reset hoạt động tích cực mức thấp có nhiệm vụ làm các ngõ ra sẽ đếm trở lại về vị trí hoạt động ban đầu. Cụ thể khi tích cực mức thấp cho chân 15 hoạt động thì các ngõ ra từ 01-09 sẽ trở về mức thấp, còn ngõ ra 05-9 sẽ trở lại mức cao. Chân này hoạt động hoàn toàn độc lập với các chân Clock 14 và 13. o Chân 14 là chân xung clock hoạt động tích cực mức cao. Chân này có chức năng đưa xung clock từ bên ngoài vào để cấp cho IC hoạt động. o Chân 13 cũng là chân xung clock nhưng hoạt động ở mức thấp. Hai chân này có mối liên hệ tương quan như sau: khi ở trạng thái bình thường: chân 14 ở mức cao, chân 13 ở mức thấp thì IC sẽ hoạt động bình thường, các ngõ ra sẽ tuần tự xuất giá trị. Trong quá trình các ngõ ra đang hoạt động, ta kích mức cao cho chân 13 thì giá trị nào đang ở mức cao sẽ giữ nguyên trạng thái, các ngõ ra còn lại sẽ ở trạng thái mức thấp hết. o Các chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 lần lượt sẽ là thứ tự của các giá trị xuất ra. o Chân 12 hoạt động mức thấp trong 5 giá trị xuất ra đầu tiên. Nó sẽ hoạt động mức cao trong 5 giá trị xuất ra sau đó. Cấu tạo bên trong IC 4017: Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 8 Bảng sự thật: 1. H = trạng thái mức cao (điện thế dương hơn). 2. L = trạng thái mức thấp (điện thế âm hơn). 3. X = phi trạng thái. 4. chuyển bậc thang - mức dương 5. chuyển bậc thang - mức thấp Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 9 Biểu diễn dạng tín hiệu ngõ ra theo tín hiệu vào xung Clock: 1.2.7 IC 7408: IC 7408 là 1 trong các IC số thông dụng trong các mạch số. Hình dáng các chân của IC: Trườ Tron cổng đó. cho thì h Bản Ở đ Còn chấp Tron hiệu ng ĐHCN T g IC này o C AND the o C o C phép là từ oạt động t g sự thật c ây khi 2 tí 1 trong c ngõ còn g mạch n cần thiết p.HCM có tổng cộ hân 1, 2, o từng cặp hân 3, 6, 8 hân 14 nố 4,5 V đế ốt nhất. C ủa IC 740 n hiệu cùn ác tín hiệu lại là mức ày IC 74 để tạo ra g ng 4 bộ cổ 4, 5, 9, 10 . , 11 thì lầ i nguồn V n 5,5 V. T hân 7 nối m 8: g vào ở m vào là mứ cao hay th 08 được s iá trị cần s Đồ án 1: Đ ng AND. , 12, 13 lầ n lượt là tấ CC với m hường thì ass. ức cao th c thấp thì ấp. ử dụng vớ ử dụng. iều khiển tố Thứ tự các n lượt là t cả ngõ r ức điện á điện áp t ì ngõ ra sẽ ngõ ra sẽ i mục đíc c độ quay c chân như các ngõ và a của 4 bộ p hoạt độ rung bình tích cực tích cực m h là AND ủa Động cơ sau: o của 4 b cổng AND ng giới hạ khoảng 5V ở mức cao ức thấp bấ những tí ộ n . t n Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 11 1.2.8 IC 7805: IC 7805 là IC ổn áp dương. Đối với IC này người ta dùng tụ thoát 0,33μ F khi không cần thiết cho ổn định, có thể dùng tụ 0,1μ F ở ngõ ra để cải thiện đáp ứng quá độ của ổn áp. Các tụ này phải đặt trên hay càng gần các IC ổn áp càng tốt. 1.2.9 Relay: Đặc điểm: - Dòng chịu được 10 A. - Áp chịu được 250 VAC. - Độ nhạy cao. - Điện áp đánh thủng cao. - Hình dạng nhỏ gọn. - Được dùng làm công tắc đóng mở. 1.2.10 Encoder: Là 1 thiết bị dùng để đếm số vòng quay của động cơ tạo xung ra làm tín hiệu xung cấp vào IC 4017. Cấu tạo của Encoder gồm 1 bộ thu phát hồng ngoại và 1 đĩa được xẻ thành các rãnh nhỏ (tùy thuộc vào từng Encoder sẽ có số rãnh chia khác nhau; chẳng hạn như 16 rãnh, 50 rãnh hay 100 rãnh). đủ để bộ thu phát hồng ngoại nhận được. Sau mỗi lần động cơ quay qua 1 rãnh nhỏ đó thì bộ thu nhận tín hiệu từ bộ phát, tạo ra 1 xung. Cứ đủ số rãnh đó thì động cơ sẽ quay đúng 1 vòng. Ở mạch này, nhóm em chỉ dùng 1 rãnh nhỏ để tăng số vòng quay cũng như để dễ sử dụng hơn. Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 12 PHẦN 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI TRONG MẠCH 2.1 Sơ đồ khối: KHỐI NGUỒN KHỐI XỬ LÝ CÁC GIÁ TRỊ CẤN NẠP CHO ĐỘNG CƠ KHỐI ĐIẾU CHỈNH TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ CHỐT TÍN HIỆU ĐƯA VÀO ENCODER ĐẾM VÒNG QUAY ĐỘNG CƠ Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 13 2.2 Chức năng từng khối: 2.2.1 Khối nguồn: Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn hoạt động cho các khối trong mạch. Cụ thể trong mạch này, ta sử dụng 2 nguồn riêng biệt. ¾ Thứ nhất là nguồn 5VDC dùng để nuôi các IC hoạt động tạo ra các tín hiệu xuất ra chuẩn tránh trường hợp nhiễu khi điện thế không đúng với mức hoạt động của IC. ¾ Thứ hai là nguồn dùng để nuôi động cơ hoạt động. Ở đây ta dùng động cơ DC 12V nên sử dụng nguồn 12V riêng cho động cơ này. 2.2.2 Khối xử lý các giá trị cần nạp cho động cơ: Là một khối gồm nhiều bộ đếm tín hiệu 4017 (ở trong mạch là 4 bộ) có nhiệm vụ đếm tín hiệu được phát ra từ Encoder khi Encoder đếm vòng quay của động cơ để đưa vào khối chốt tín hiệu. 2.2.3 Khối điều khiển tốc độ quay của động cơ: Điện áp cấp từ nguồn sẽ qua C1815 được phân cực sao cho nó đủ để kích Transistor D718 hoạt động. Sau khi kích cho D718 hoạt động ở chế độ tuyến tính thì động cơ sẽ thay đổi được tốc độ do sự thay đổi dòng điện từ D718 thông qua biến trở 100k. 2.2.4 Encoder: Đếm số vòng quay của động cơ rồi xuất tín hiệu đã đếm được đưa vào bộ đếm 4017. 2.2.5 Khối chốt tín hiệu: Gồm 4 bộ cổng AND. Mỗi 1 bộ cổng AND sẽ chốt tín hiệu ở 1 bộ đếm tín hiệu 4017. Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ 14 PHẦN 3 SƠ ĐỒ MẠCH 3.1 Sơ đồ nguyên lí: D 1LE D 9V D 18 LE D D 6LE D R 43 10K R 55 1k S W 9 S W _T_S P D T 13 2 R 18 1k R 13 4K 7 D 23 LE D R 25 4K 7 U 2B 7408 45 6 147 5V R 10 1k R 42 1K S W 3 S W _T_S P D T 13 2 S W 2 S W D IP -10/S M D 45 LE D S W 8 S W D IP -10/S M 5V D 31 LE D R 36 1k D 7LE DD 49 LE D R 27 1k R 3 1k D 50 LE D U 1 4017 141315 324710156911 12 168 C LK E N A R S T Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q 9 C O VCCGND D 24 LE D LS 1 R E LA Y D P D T 3 45 6 87 12 R 47 10K R 57 1k D 4LE D U 2A 7408 12 3 147 R 39 1k C 8 104 R 11 4K 7 D 15 LE D R 16 1k D 8LE D U 2C 7408 910 8 147 5V D 21 LE D R 34 1k R 35 1k R 19 1k A - + M G 1 1 2 5V S 1R E S E T 104 C 456 R 38 1k R 50 1k R 56 1k R 24 4K 7 D 2LE D Q 7 D 718 R 23 1k D 43 LE D D 9LE D 1000uF C 123 D 38 LE D 5V 5V GND 12V 12 S W 7 S W _T_S P D T 13 2 D 20 LE D R 53 1k R 49 1k 9V R 7 1k D 14 1N 4007 1 2 R 20 1k R 28 330 R 33 1k D 42 LE D S W 4 S W D IP -10/S M R 41 4K 7 D 3LE D xung encoder C O N 3 123 R 4 1k R 45 10K C 1 104 R 54 1k Q 5 C 1815 R 51 1k C 3 104 R 40 1k C 11 10U Q 6 D 718 R 61 8K 2 R 9 1k R 12 4K 7 D 32 LE D 9V D 37 LE D D 48 LE D U 4 4017 141315 324710156911 12 168 C LK E N A R S T Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q 9 C O VCCGND D 30 LE D D 34 LE D R 22 1k D 17 LE D R 37 1k R 17 1k U 6 7805 1 3 2 IN O U T GND 5V 9V D 35 LE D D 33 LE D 5V D 28 LE D R 8 1k D 51 LE D D 22 LE D C 10 104 R 2 1k D 19 LE D D 10 LE D R 15 1k C 2 22000u D 27 1N 4007 1 2 R 31 1k C 5 104 D 16 LE D R 6 1k R 52 1k D 56 LE D 5V 5V R 44 10K D 44 LE D 5V S W 1 S W _T_S P D T 13 2 1000uF C 789 C 4 104 D 57 1N 4007 1 2 R 58 1k nguon 12V D C D 29 LE D D 47 LE D R 5 1k S W 6 S W D IP -10/S M R 32 1k S W 5 S W _T_S P D T 13 2 R 46 10 R 1 1k D 36 LE D D 5LE D R 14 1k R 261K D 46 LE D S W 10 S W _T_S P D T 1 3 2 U 5 4017 141315 324710156911 12 168 C LK E N A R S T Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q 9 C O VCCGND R 21 1k U 3 4017 141315 324710156911 12 168 C LK E N A R S T Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q 9 C O VCCGND Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ - 15 - 3.2 Sơ đồ mạch in: Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ - 16 - 3.3 Nguyên lí hoạt động: Ý nghĩa của mạch này là kiểm soát động cơ DC quay theo ý của người sử dụng. Tức là, ta có thể cho động cơ quay bao nhiêu vòng tùy ý. Sau khi quay đúng số vòng mà ta ấn định cho động cơ ban đầu thì nó sẽ ngừng quay tức khắc. Đầu tiên, ta chọn vòng quay cho động cơ bằng các công tắc Switch 10. Các Switch tượng trưng cho các hàng đơn vị, chục, trăm và nghìn. Đơn vị ở đây tính bằng xung vì Encoder như ta giải thích ban đầu tức là sau khi động cơ quay đúng 1 vòng thì sẽ có 1 xung từ Encoder được cấp vào IC 4017 đầu tiên. Ví dụ như ta chọn số vòng quay mà động cơ cần quay là 20 vòng. Lúc này ta gạt Switch 1 ở mức 1, Switch 2 ở mức 3. Sau đó, ta nhấn nút khởi động động cơ thì động cơ sẽ quay, Encoder bắt đầu đếm xung, đủ số vòng thì tín hiệu được chọn ban đầu sẽ được chốt bằng cổng AND. Tín hiệu được chốt này sẽ kích cho Rơle đóng lại làm động cơ ngưng ngưng hoạt động. Ngoài ra, để dễ dàng kiểm tra,ta có thể điều chỉnh được tốc độ quay của động cơ qua bộ khuyếch đại điện áp. Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ - 17 - PHẦN 4 KẾT LUẬN Đồ án 1 là một bài tập lớn, một thử thách lớn đối với sinh viên, tuy nhiên với bài tập lớn này thì nó giúp cho sinh viên vận dụng một cách cụ thể kiến thức mà mình đã học trong suốt quá trình học tập. Đây là cũng là 1 cách học theo phương pháp tư nghiên cứu, tìm tòi, và phong cách làm việc theo nhóm để quen dần với cách làm đồ án tốt nghiệp sau này. Trường ĐHCN Tp.HCM Đồ án 1: Điều khiển tốc độ quay của Động cơ - 18 - PHẦN 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO ¾ www.alldatasheet.com ¾ www.dientuvietnam.net ¾ www.diendandientu.com.vn ¾ Linh kiện điện tử, Nguyễn Tấn Phước, NXB Tổng hợp TP.HCM.