Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU I. Nguyên lý điều khiển động cơ điện 1 chiều. 1. Đặc điểm của Động Cơ một chiều: Động cơ điện một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ. Dễ thay đổi tốc độ trong một khoảng khá rộng. Cấu tạo phức tạp do có chổi quét trên vành bán nguyệt dẫn tới tuổi thọ động cơ không cao, phải bảo dưỡng định kỳ, dễ phát sinh tia lửa điện nên không làm việc ở những nơi có khí gas hầm lò, chống cháy nổ. Công suất của động cơ điện một chiều thường thấp vì có cấu tạo phức tạp. Nếu cống suất cao thì sẽ cồng kềnh, đắt tiền. Hiệu suất không cao so với các loại động cơ điện khác. Tuy vậy, do ưu điểm của động cơ điện một chiều là có nhiều phương pháp thay đổi tốc độ và dễ dàng thay đổi tốc độ, chiều quay nên các động cơ một chiều công suất nhỏ vẫn thường được sử dụng hiện nay. Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (hệ truyền động điều khiển tự động) và loại điều khiển mạch hở. Hệ truyền động điều khiển tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều khiển cao và dải điều khiển rộng hơn so với hệ truyền động hở. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều còn phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. 2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Từ phương trình tính tốc độ: (1) Suy ra : để điều chỉnh w có thể: Điều chỉnh Uư . Điều chỉnh Rư bằng cách thêm Rp vào mạch phần ứng. Điều chỉnh từ thông F 2.1.Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm Rp: Mắc nối tiếp Rp vào phần ứng, từ (1) suy ra Rư tăng lên, suy ra w giảm, độ dốc của đường đặc tính giảm. Các đường 1,2 là đường đặc tính sau khi tăng Rư, đường TN là đường đặc tính tự nhiên của động cơ ban đầu. w wo TN 1 2 M Mc Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng do thêm Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế. 2.2.Điều khiển từ thông: Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ và sức điện động quay của động cơ . Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn của việc thay đổi từ thông. Nhưng theo công thức trên khi F thay đổi thì mômen, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điêù khiển và mômen tải => phương pháp này cũng ít dùng. 2.3.Điều khiển điện áp phần ứng: Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp: - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ. Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng. Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phương trình sau: Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uu của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để. Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 họ đường song song : w wo w1 TN w2 1 2 M Mc Nguyên lý điều khiển: Người ta thường dùng phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện áp động cơ: Mạch nguyên lý: Trong đồ thị trên : idk là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển. t1 là độ rộng xung, t2 =T-t1 là độ rỗng xung. Ta có : Ud = U.t1/T Để thay đổi Ud ta thay đổi độ rộng xung điều khiển ta thay đổi thời gian đóng mở khoá K => thay đổi thời gian có dòng t1 trong mỗi chu kỳ T => độ rộng xung thay đổi. Set bit K=1 (đóng) => có i. Set bit K=0 (mở) => không có i. Như vậy ta đã có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ. II.Thiết kế các mạch điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều. 1. Mạch điều khiển dùng bộ đếm tiến lùi và DAC Sơ đồ khối: Trong sơ đồ trên tín hiệu sau bộ đếm tiến lùi là số, trong khi tín hiệu điều khiển ĐC phải là analog. Do đó ta phải dùng bộ biến đổi DAC (Digital to Analog Converter) để chuyển tín hiệu từ số sang xung. Điện áp sau DAC được qua khâu khuếch đại để có điện áp thích hợp điều khiển động cơ. Thiết kế: DAC : Ta chọn vi mạch DAC là DAC 0808 - vi mạch chuyển đổi số - tương tự 8-bit. Thời gian chuyển đổi tối đa là 150 ns. Tiêu thụ công suất 33 mW với nguồn nuôi ±5V. Đầu ra là dòng điện có giá trị phụ thuộc vào mã nhị phân đưa vào. DAC0808 tương thích và giao tiếp được với các mức logic TTL, DTL hay CMOS. Nguồn nuôi của vi mạch cho phép trong khỏang từ -18V đến +18V. Dòng vào so sánh là 2-5 mA. Nhiệt độ làm việc bình thường là 0-75°C. Trong các ứng dụng thông thường, chân 14 được nối lên điện áp so sánh Vref thông qua điện trở 5k . Sơ đồ chân và cách ghép nối của DAC0808 trong mạch được trình bày ở hình sau: Bộ đếm : 8 đầu vào số (A1 đến A8) được nối với đầu ra của bộ đếm tiến lùi. Bộ đếm ở đây là 8 bit được thành lập bằng cách nối ghép 2 IC đếm 74193 (mỗi IC là 4 bit –modun 16) ta được bộ đếm modun 16x16 =256: Để khởi động cho bộ đếm ta dùng 1 D-Flip flop 74LS74 như hình vẽ. Các chân ra của bộ đếm là 3,2,6,7 được nối trực tiếp với các đầu vào của DAC. Ta được các giá trị tổ hợp A1¸A8 từ 0 ¸ 255 và giá trị điện áp sau DAC được tính theo công thức: Trong mạch : Vref = +5V, Rref = 5K. Để có Uđk động cơ ta dùng 1 bộ khuếch đại đảo LM741 sau DAC: Chọn R1 = 1K, R2 có thể thay đổi (để điều chình Udk ở đầu output thích hợp). Mạch tạo xung : mạch tạo xung để tạo xung đồng bộ cho bộ đếm, đầu ra của mạch tạo xung nối với chân clk của Flip-Flop. Để tạo xung có 2 cách, ta có thể dùng thạch anh, nhưng do cần tần số xung có thể thay đổi được ta phải thiết kế mạch tạo dao động (ossillator) dùng 555 để tạo xung cho bộ đếm. Thiết kế mạch tạo xung 555 theo sơ đồ sau: Xung ra (chân 3 của 555) là xung vuông độ rộng T1, độ rỗng T2, chu kỳ T =T1 + T2, tính theo công thức: T1 = 0,693.( Ra + Rb).C T2 = 0,693. Rb.C => T =0,693.( Ra + 2.Rb).C Tần số f =1/T. Ở đây ta chọn Ra có thể thay đổi (VR) để khi điều chỉnh Ra => thay đổi T => thay đổi được số xung phát ra trong 1s. Chẳng hạn trong mạch chọn: Ra = 5K, Rb = 2,2 K; C = 1uF thì ta được xung dao động có : T1 = 0,693.( Ra + Rb).C = 0,693.( 5 + 2,2). 103 . 10-6 = 0,005 s T2 = 0,693. Rb.C = 0,693. 2,2 . 103 . 10-6 = 0,0015 s T =T1 + T2 = 0,0065 (s) tức f = 1/T = 1/0,0065 = 153,8 xung/s Ta có thể lắp 2 led sau chân 3 để kiểm tra xung ra: nếu led dưới sáng thì Ura=1, ngược lại Ura = 0. 2.Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều đơn giản dùng 555. 555 còn có thể dùng tạo xung theo cách khác nếu lắp thêm điot ngược từ chân 6 lên chân 7 để ngăn dòng đi qua Rb khi tụ hoá C xả. Khi đó T1 giảm 1 lượng 0,693.Rb.C, còn T2 không đổi so với trường hợp trên: Nếu theo cách này khi ta điều chỉnh được T1, T2 (bằng biến trở) đồng thời mà vẫn giữ nguyên T , tức tăng Ra và giảm Rb đồng thời một lượng như nhau thì độ rộng xung thay đổi mà tần số không đổi như thế ta đã điều chế được độ rộng xung cho mạch điều khiển động cơ. Điều này có thể làm được bằng cách sử dụng thêm 1 biến trở lắp giữa Ra, Rb dùng cả 3 chân theo sơ đồ sau: Chức năng các linh kiện: LM555: dao động tạo xung PWM R2: điều chỉnh tốc độ động cơ. MOSFET IRF510: tầng công suất cho mạch điều khiển Diode D2: triệt xung gai, bảo vệ MOSFET Diode D1 :tạo đường xả độc lập cho tụ C2 Ta vẫn có : T1 = 0,693.Ra .C T2 = 0,693. Rb.C T =0,693.( Ra + Rb).C Nhưng : Ra = R1 + R21 Rb = R3 + R22 R1, R3, R21+R22 =R2 không đổi suy ra (Ra + Rb) không đổi => T không đổi. 3. Một số mạch khác điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng phương pháp PWM 3.1. So sánh xung tam giác để điều chế độ rộng xung. Sơ đồ mạch: Trong mạch trên ta có : IC U1c : có chức năng tạo điện áp chuẩn 6V cho 2 IC: U1a và U1d. IC U1a : tạo xung vuông. IC U1b : bộ tích phân biến đổi xung vuông thành xung tam giác. IC U1b : là bộ so sánh giữa xung tam giác ở đầu vào 5 với điện áp 1 chiều ở đầu vào 6 có thể thay đổi nhờ chỉnh biến trở VR1: U6 = 12. Khi thay đổi U6 (bằng cách thay đổi VR) qua mạch so sánh ta được độ rộng xung thay đổi => tốc độ động cơ thay đổi. Mosfet : tầng khuếch đại cho mạch điều khiển. D1 : bảo vệ mosfet, led để kiểm tra xung điều khiển cho động cơ. Các tụ C2,C3,C4,C5 : lọc nguồn. U2 ( IC 7812) : ổn định điện áp 12V cho các nguồn trong mạch. 3.2.Mạch điều khiển tốc độ dùng NE 556 Trong mạch trên : IC NE556 thực chất là 2 x IC555 được tích hợp trong 1 công nghệ chế tạo bán dẫn. ½ 556 đầu được nối ghép làm mạch tạo dao động (như phần trên). Chân ra của ½ 556 đầu dùng để nuôi ½ 556 sau: T =0,693.( Ra + 2.Rb).C ½ NE556 sau dùng để điều chế độ rộng xung, sau NE556 là mosfet khuếch đại cho mạch điều khiển. Khi thay đổi điện trở Speed 10K, và điện trở Cut off thì điện áp chân 11 (control voltage ) của ½ 556 sau thay đổi do đó theo trên độ rộng điện áp xung ra (chân 9) thay đổi => có thể điều chế độ rộng xung. LM311 là bộ so sánh dùng để cắt dòng điều khiển ( => cắt tốc độ về 0 – zero speed cut off) khi điện áp chân 11 (control voltage ) nhỏ hơn địên áp U3. Tính toán mạch LM311: Ta có: khi U2 >U3 = => U10 = =10,… Như vậy chân 10 của ½ 556 sau luôn ở mức cao khi U2 >U3 tức ½ NE556 sau hoạt động khi U2> U3. Còn khi U2 cắt dòng điều khiển cho động cơ. Việc cắt dòng điều khiển cho động cơ là cần thiết bởI mặc dù khi điện áp chân 11 nhỏ hơn cỡ 12/19 =0,61 V thì gần như tốc độ động cơ -> 0 (độ rộng xung rất nhỏ) nhưng do xung gai điện áp thậm chí khi U2=0,..V vẫn có gai do đó để bảo vệ động cơ cần phải cắt dòng điều khiển. 4. Vi mạch LM3524. Các đặc điểm (Features) LM 3524/2524 : - Có đầy đủ các đặc tính họ LM3524 chuẩn. - Độ chính xác ± 1 % với điện áp chuẩn 5 V. - Đầu ra có dòng điện tới 200 mA DC. - Điện áp đầu ra có thể đến 60V DC. Đầu vào có độ rộng chung cho error-Ampli (xem Block diagram). Tại một thời điểm có một xung xác định ( triệt xung nhiễu - ồn). Cải thiện khả năng làm việc ở tần số cao. Khả năng triệt xung gai gấp hai lần . Đồng bộ hóa xung qua chân 3 Sơ đồ chân: Mô tả các chức năng của các vi mạch có trong LM3524: 1. Bộ điều chỉnh điện áp – Reference regulator. Bên trong LM3524 có bộ reference regulator (đầu vào chân 16) để tạo điện áp chuẩn 5V như hình vẽ sau: Trong sơ đồ trên vi mạch LM330T hoạt động tương tự 1 IC ổn áp. Khi đầu vào lớn hơn 5V cỡ 5,5-8V qua LM330T đầu ra sẽ ổn định ở 5V để cung cấp nguồn nuôi chuẩn cho các mạch bên trong IC LM3524. 2. Bộ tạo dao động (oscillator) Trong sơ đồ trên ta cũng thấy LM3524D có một bộ dao động bên trong. Tần số của bộ dao động phụ thuộc vào điện trở ngoài RT (chân 6 nối với RT )và tụ CT (chân 7). Đồ thị RT, CT ảnh hưởng đến tần số bộ dao động như hình sau: Độ rộng xung dao đông ở đầu ra có thể thay đổi khi thay đổi giá trị R, C ngoài như trong hình sau: Trong đó những giá trị nên dùng trong khoảng của RT là 1.8 K tới 100 k CT từ 0.001 uF tới 0.1 uF. 3. Bộ Error Amplifier Error Amplifier có một đầu vào vi phân, khuếch đại độ hỗ dẫn. Một đồ thị biểu diễn tác dụng của amplifier phụ thuộc vào điện trở đầu ra như hình sau: Đầu ra của Error Amplifier hay đầu vào của bộ điều chế chiều rộng xung, có thể bỏ qua do trở kháng đầu ra của nó rất cao ( Zout cỡ 5 M). Do đó một điện áp DC có tại chân 9 qua bộ khuếch đại có thể điều khiển tốc độ ĐC. Đồ thị của chu trình nhiệm vụ đầu ra thay vì điện áp trên tại chân 9 đợc cho thấy trong hình sau: Duty cycle được tính toán theo tỷ lệ phần trăm của mỗi đầu ra bật - thời gian do bộ dao động. Đặt những đầu ra song song có thể quan sát duty cycle. Đầu vào của Error Amplifier chung có điện áp từ 1.5 V – 5.5 V. 4.Giới hạn dòng điện. Chức năng giới hạn dòng là để qua Error Amplifier điều khiển chiều rộng xung. Đầu vào giới hạn dòng điện chính là các chân +Clsense, -Clsense (chân 4,5 ) qua bộ giới han, dòng phụ thuộc vào điên áp giữa 2 chân +Clsense, -Clsense. Ví dụ điện áp giữa 2 chân là 200mV thì đầu ra Vout cho duty cycle có độ rỗng 25 %. Chú ý điện áp đầu vào đm cần dùng từ -0.7 V tới +1.0 V. 5.Các chân ra Đầu ra (out put) của LM3524 (chân 11,12,13,14) là các chân của tranzito NPN, có dòng cực đại cỡ 200 mA, nhiệt độ max 180 ° như trong hình sau: Các mạch ứng dụng: 1. Mạch điều chỉnh dương tăng theo bước 2.Mạch điều chỉnh dương giảm theo bước. 3. Mạch tăng dòng đảo theo bước. Lý thuyết điều chỉnh chuyển mạch cơ bản và ứng dụng Mạch điều chỉnh cơ bản giảm theo bước được thấy như trong hình 12, cùng với một thiết kế mạch thực hành sử dụng LM3524D trong hình 15: Mạch làm việc như sau : Q1 được sử dụng như một công tắc khoá mở để điều khiển bộ điều chế chiều rộng xung. Khi Q1 ON, dòng qua L1 tăng; VA xấp xỉ VIN, D1 là chống xả ngược, Co để bù điện áp. Khi Q1 OFF điện áp qua cuộn cảm L1 bị cắt, dòng sẽ giảm xuống, VA = 0. Co lọc đa cho cho một DC sạch đầu ra. Theo kinh nghiệm ttốt nhất thường để DI = 40 % x Io. Từ quan hệ : Điện áp ra tính theo : Trong đó TON và TOFF tính theo công thức: Công suất: Hiệu suất : Quan hệ L1 với điện áp : Tính toán tụ bù Co : Một mạch ứng dụng đầy đủ điều chỉnh chuyển mạch giảm theo bước sử dụng LM3524 được minh họa trong hình sau: Hai tranzito Q1 và Q2 nối tầng được thêm vào để khuếch đại cho đầu ra tới 1A. Điện áp điều chỉnh 5V của LM3524 được chia cho bộ error amplifier vào đầu non-inverting chung. Từ mỗi đầu ra tranzito có dòng trong khoảng 1/2 chu kỳ, thực sự là 45 %. Nếu chúng được ghép song song thì duty cycle có thể lên tới 90 % độ rộng xung. Điện áp đầu ra được tính theo: VNI là điện áp ở bộ error amplifier vào đầu non-inverting Điện trở R3 đặt giới hạn dòng : Sau đây là bảng thông số của mạch điều chỉnh chuyển mạch giảm theo bước: Mạch điều chỉnh chuyển mạch tăng theo bước : Hình trên cho thấy mạch cơ bản cho một bộ điều chỉnh tăng theo bước. Trong mạch này Q1 đợc sử dụng như một công tắc khoá mở để xen kẽ cho VIN qua cuộn cảm L1. Trong thời gian, TON, Q1 khoá và năng lượng từ VIN qua L1. D1 chống xả ngược khi Vin nhỏ, Co để bù điện áp. Khi Q1 mở, tức TOFF dòng qua Q1 về GND. Đồ thị dòng và áp ra ngược với mạch điều khiển giảm : Các thông số khác cũng được định nghĩa tương tư mạch điều khiển giảm chuyển mạch theo bước. Tính toán mạch: Do Ta có điện áp ra : Công suất : Nếu Hiệu suất tối đa: Tính toán tụ Co, điên cảm L1 : Ta có: Trong đó : Suy ra : Trong hình sau nếu điện áp chuẩn 5V được chia đều cho 2 chân VIN thì : Sơ đồ mạch: Các đặc điểm kỹ thuật: `