đồ án tốt nghiệp đại học sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đến nay em đã hoàn thành đề tài đồ
án : “THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HIỂN
THỊ TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU”. Do thầy Lý Văn Đạt hướng dẫn đã được
hoàn thiện. Trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài, em đã gặp khơng ít vướng mắc nhất
định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quý báu của thầy.
Để hoàn thành bản đồ án, đầu tiên cho phép em xin được bày tỏ lòng biết ơn
đến các thầy cô trong Khoa Điện - Điện Tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng
Yên đã truyền thụ những kiến thức quý báu và bổ ích trong thời gian học tập tại
trường, để giúp em có thể hồn thành đồ án và nền tảng kiến thức chuyên môn vững
chắc.
Em xin được trân trọng cảm ơn thầy đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ đạo, cung cấp
tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình nghiên cứu tìm hiểu
và xây dựng đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hưng Yên, tháng 6 năm 2023
Sinh Viên Thực Hiện


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay q trình tự động hóa trong công nghiệp là hết sức quan trọng đối với
sự phát triển của một quốc gia. Với các nước phát triển như Mỹ, Nhật, … thì tự động
hóa khơng cịn xa lạ và đã trở nên quen thuộc. Ở các nước này máy móc hầu như đã
thay thế lao động chân tay, số lượng công nhân trong nhà máy đã giảm hẳn và thay
vào đó là những lao động chun mơn, những kỹ sư có tay nghề, điều khiển giám sát
trực tiếp q trình sản xuất thơng qua máy tính.
Đi cùng sự phát triển của tự động hóa ,các loại động cơ không đồng bộ không thể
không nhăc tới. Với những ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, có thể làm việc trong mội
trường dễ cháy nổ, liên tục và dài hạn nên nó được sử dụng rất nhiều trong mọi lĩnh vực
như công nghiệp, nông nghiệp với công suất từ vài nghìn tới và chục nghìn KW. Và bài
tốn điều khiển tốc độ cho động cơ không đồng bộ đã được giải quyết với sự ra đời của

PLC và biến tần. Bộ điều khiển lập trình PLC và biến tần ngày nay được sử dụng rộng rãi
trong mọi lĩnh vực tự động hóa. Khơng chỉ sử dụng trong các dây chuyền máy móc sản xuất
cơng nghiệp...mà cịn trong cả xây dựng, giao thông, thủy lợi, nông nghiệp, khai thác tài
ngun.... Chính vì vậy việc nắm bắt kỹ năng sử dụng và khai thác PLC và biến tần là mục
tiêu cấp thiết với cán bộ, kỹ sư làm việc trong các ngành nghề có liên quan đến ứng dụng tự
động hóa. HMI là một thiết bị khơng thể thiếu góp phần đẩy nhanh q trình tự động
hóa các cơng đoạn cũng như các quy trình sản xuất phức tạp và khó địi hỏi độ chính
xác cao. HMI ra đời giúp cho điều khiển và giám sát các hệ thống dễ dàng và trực
quan hơn. Đối với sinh viên chuyên ngành tự động hóa, khi đang cịn ngồi trên ghế nhà
trường, việc học tập, nghiên cứu và tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử dụng
PLC và biến tần trong các mạch điện khởi động, điều chỉnh tốc độ động cơ là rất cần thiết.
Thơng qua việc tìm hiểu và nghiên cứu này giúp sinh viên bước đầu có được những kiến
thức cơ bản vè PLC, và HMI để tích lũy và nâng cao trình độ chun mơn, tiếp cận khoa
học công nghệ tiên tiến. Từ những thực tế trên, em đã lựa chọn đề tài “ THIẾT KẾ
CHẾ TẠO THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ
CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU”để làm đồ án tốt nghiệp của mình.

MỤC LỤ
2


LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................3
MỤC HÌNH ẢNH.....................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.................................................................7
1.1 Lý do chọn đề tài.................................................................................................7
1.2 Lịch sử phát triển và các loại động cơ.................................................................8
1.2.1 Lịch sử phát triển của động cơ điện..................................................................8
1.2.2 Nguyên tắc cơ bản về hoạt động của động cơ..................................................8

1.2.3 Động cơ điện một chiều...................................................................................9
1.2.5 Động cơ điện một chiều không chổi than.......................................................10
1.2.6 Động cơ bước.................................................................................................10
1.2.7 Động cơ Servo................................................................................................11
1.3 Động cơ 1 chiều 775.........................................................................................11
1.3.1 Motor 775.......................................................................................................11
1.3.2 Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo bên trong motor 775..................................13
1.3 Lý do chọn:.......................................................................................................14
1.4 Bài toán.............................................................................................................15
1.5 Kết luận chương 1.............................................................................................15
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................16
2.1 Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều...................................................16
2.2 Bộ điều khiển PLC sử dụng phương pháp PWM..............................................18
2.3 PWM là gì?.......................................................................................................19
2.4 PWM hoạt động như thế nào?...........................................................................20
2.5 Chu kỳ nhiệm vụ và tần số PWM......................................................................20
2.5.1 Chu kỳ nhiệm vụ............................................................................................20
2.5.2 Tần số của một PWM.....................................................................................21
2.6 Tại sao chúng ta cần có Điều chế độ rộng xung?..............................................22
2.7 Ưu, nhược điểm của PWM................................................................................23
II, Lựa chọn linh kiện..............................................................................................24
A, Lựa chọn linh kiện điện tử:.................................................................................24
2.8. PLC SIMATIC S7-1200...................................................................................24
2.8.1 Ưu điểm.........................................................................................................24
2.8.2 Thiết kế..........................................................................................................26
3


2.8.3 So sánh PLC với Vi điều khiển......................................................................26
2.9 Màn hình HMI Mitsubisi GS2107-WTBD........................................................29

2.9.1 Ưu điểm.........................................................................................................30
2.9.2 Nhược điểm....................................................................................................31
2.9.3 Màn hình HMI Mitsubishi GS2107-WTBD có Thơng số kỹ thuật.................31
2.9.4 Phầm mềm GT DESIGN 3.............................................................................32
2.9.5 Các bước tạo tạo project mới và lập trình cơ bản:..........................................32
2.10 Bộ Encoder......................................................................................................35
2.10.1 Giới thiệu chung...........................................................................................35
2.10.2 Cấu tạo.........................................................................................................36
2.10.3 Ngun lí hoạt động.....................................................................................36
2.10.4 Các thơng số đáng quan tâm.........................................................................37
2.11 Motor 775 trục tròn 150W - 12V/24V.............................................................38
B. lựa chọn phần tử khí nén:...................................................................................39
1. Xi lanh................................................................................................................. 39
2. Ống dẫn khí nén..................................................................................................39
3. Van điện từ AIRTAC 4V220-08.........................................................................40
4. Xy lanh TN25x200-S:.........................................................................................41
5. Van tiết lưu:........................................................................................................42
C.Kết luận chương 2:..............................................................................................42
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO.......................................................................43
3.1 Sơ đồ khối.........................................................................................................43
3.2 Sơ đồ khí nén, sơ đồ nguyên lý:........................................................................45
3.3 Ngun lý hoạt động:........................................................................................46
3.4 Lưu đồ thuật tốn:............................................................................................47
3.5 Hình ảnh thực tế của mơ hình khoan phơi tự động:...........................................48
KẾT LUẬN............................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................52
PHỤ LỤC...............................................................................................................52
1. Bảng symbol:......................................................................................................52
2.Chương trình điều kiển:.......................................................................................53

4


MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ..................................................................................8
Hình 1.2.Ngun tắc cơ bản của động cơ..................................................................9
Hình 1.3. Động cơ điện 1 chiều.................................................................................9
Hình 1.6. Động cơ bước..........................................................................................11
Hình 1.8.Động cơ 775.............................................................................................12
Hình 1.9. Số đo của động cơ 1 chiều.......................................................................12
Hình 1.10. Cấu tạo của motor 775...........................................................................13
Hình 1.11. Bên trong motor 775..............................................................................13
Hình 2.1.Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ PWM DC.......................................16
Hình 2.2.Sơ đồ điều khiển động cơ DC bằng mạch cầu H......................................17
Hình 2.3. Bộ điều khiển tốc độ motor DC Chip L298N..........................................18
Hình 2.4.Dạng sóng tín hiệu ngõ ra dạng xung vng của PLC..............................19
Hình 2.1. Các cơng thức để tính tốn chu kỳ nhiệm vụ...........................................21
Hình 2.2. Tín hiệu PWM với chu kỳ nhiệm vụ 50%...............................................21
Hình 2.3. Cơng thức để tính Tần số.........................................................................21
Hình 2.4. So sánh một tín hiệu DC liên tục và một tín hiệu DC xung.....................22
Hình 2.5. PLC S7-1200...........................................................................................24
Hình 2.19. màn hình HMI.......................................................................................30
Hình 2.20. Các cổng kết nối của HMI.....................................................................30
Hình 2.21. kích thước của màn hình HMI...............................................................30
Hình 2.6 Giao diện phần mềm GT Designer 3........................................................32
Hình 2.7 Các thanh cơng cụ có trong phần mền GT Designer 3.............................33
Hình 2.8 Chọn màu chữ và cỡ chữ..........................................................................33
Hình 2.9 Chọn kiểu nút nhấn vè định địa chỉ..........................................................34
Hình 2.10 Tạo đèn và địa chỉ cho đèn.....................................................................34
Hình 2.11 Nạp chương trình cho HMI....................................................................35

Hình 2.12 Encoder thực tế.......................................................................................35
Hình 2.13 Bên trong Encoder..................................................................................36
Hình 2.14 Mơ phỏng ngun lý...............................................................................37
Hình 2.15. Motor 775..............................................................................................38
Hình 2.16. Xi lanh khí nén......................................................................................39
Hình 2.17 Ống dẫn khí............................................................................................40
Hình 2.18.Phía dưới của van điện từ AIRTAC 4V220-08......................................40
Hình 2.19. Xy lanh TN25x200-S............................................................................41
Hình 2.20. Van tiết lưu............................................................................................42
5


Hình 3.3. Sơ đồ khối...............................................................................................43
Hình 3.1. Sơ đồ kết nối...........................................................................................45
Hình 3.3. Sơ đồ khí nén...........................................................................................46
Hình 3.3. Lưu đồ thuật tốn....................................................................................47
Hình 3.4. Mơ hình khoan phơi tự động...................................................................48
Hình 3.5. Bộ điều khiển và hiển thị.........................................................................49

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay đất nước ta đang trong quá trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa. Các
ngành cơng nghiệp phát triển nhanh chóng để đáp ứng được các nhu cầu thiết yếu cho
sản xuất. Đi đôi với sự phát triển cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa thì ngành điện, điện tử
có vai trị quan trọng trong các ngành cơng nghiệp nói chung và đời sống nói riêng.
Đi cùng sự phát triển của tự động hóa, các loại động cơ khơng đồng bộ khơng thể
khơng nhắc tới. Kéo theo đó là sự ra đời của các bộ điều chỉnh tốc độ, trong đó tiêu biểu là

biến tần. Với những lợi ích to tớn như : thay đổi tốc độ và đảo chiều quay động cơ, giảm
dòng khởi động, tiết kiệm năng lượng...Biến tần đã trở thành thiết bị không thể thiếu trong
cơng nghiệp. Vì vậy ta cần phải nghiên cứu và tích lũy các kiến thức để có thể làm chủ
được thiết bị này.
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và khoa học máy tính đã cho ra đời các thiết
bị điều khiển số như CNC, PLC...Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều
các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, đáp ứng được yêu cầu kinh tế cũng
như kỹ thuật trong sản xuất.Việc ứng dụng thiết bị logic khả trình PLC để tự động hóa
q trình sản xuất nhằm mục tiêu tăng năng suất lao động, giảm sức lao động của con
người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết. Việc sử dụng PLC
vào sản xuất và đời sống cần phổ biến và mở rộng hơn.
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ ở tất cả các lĩnh vực và
tất các khu vực trên thế giới. HMI là một thiết bị khơng thể thiếu góp phần đẩy nhanh
q trình tự động hóa các cơng đoạn cũng như các quy trình sản xuất phức tạp và khó
địi hỏi độ chính xác cao. Vì vậy HMI được ứng dụng ở hầu hết các công đoạn sản
xuất trong các lĩnh vực. Ví dụ như dầu khí, điện tử, sản xuất thép, dệt may, ngành
điện, ngành nước, ô tô, xe máy…
Chính vì vậy “THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU
KHIỂN VÀ HIỂN THỊ TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU” là đề tài chúng em
nghiên cứu và chế tạo đồ án Tốt Ngiệp.

7


1.2 Lịch sử phát triển và các loại động cơ
1.2.1 Lịch sử phát triển của động cơ điện
Vào năm 1820, Oersted khám phá ra rằng khi một dòng điện chạy qua 1 dây
dẫn nó sẽ tạo ra một từ trường. Vào năm tiếp theo, Michael Faraday đã chứng minh từ
trường này có thể tạo thành lực cơ học.
Thiết bị của ông bao gồm một thỏi nam châm vĩnh cửu nhúng trong một bể

thủy ngân. Một dây dẫn treo bên trên bể thủy ngân nhờ 1 cái móc.
Khi có dịng điện chạy qua dây dẫn, một lực cơ điện giúp sợi dây xoay tròn
xung quanh thỏi nam châm.
Dĩ nhiên thiết bị này chỉ có thể thực hiện rất ít cơng bởi lực quay tạo ra rất nhỏ.

Hình 1.1. Cấu tạo của động cơ
1.2.2 Nguyên tắc cơ bản về hoạt động của động cơ
Có một dây dẫn mang điện được đặt vào trong một từ trường và tạo ra một lực
giúp dây dẫn chuyển động.
Phương của lực là 90 độ so với chiều dòng điện và cũng là 90 độ so với các
đường lực từ trường. Khi dòng điện chạy trong vòng dây, một trường điện từ được tạo
ra xung quanh vòng dây. Trường điện từ này tương tác với từ trường tạo ra bởi nam
châm vĩnh cửu. Lực tương tác tạo ra mơ men và làm quay vịng dây.Trong trường hợp
này, một vòng dây (Rotor) tự do quay tròn trong từ trường tạo bởi hai nam châm vĩnh
cửu đặt cố định.
Mặc dù vậy, rotor sẽ dừng quay khi các lực nằm ở hai hướng ngược nhau và
cùng theo hướng với trục quay, bởi vì tại thời điểm đó, mơ men là rất nhỏ.

8


Hình 1.2.Nguyên tắc cơ bản của động cơ
Để rotor tiếp tục chuyển động, chúng ta phải đảo chiều dòng điện chạy trong
vịng dây, theo đó sẽ đảo chiều trường điện từ và hướng của lực.
Một vòng kim loại gồm 2 nửa hay cịn gọi là cổ góp giúp thực hiện chức năng
này. Nếu chúng ta đảo chiều dòng điện đúng thời điểm, rotor sẽ tiếp tục quay khi dòng
điện chạy trong rotor.
1.2.3 Động cơ điện một chiều
Dựa vào nguyên tắc cơ bản này, động cơ điện một chiều hiện đại sử dụng nam
châm vĩnh cửu tĩnh có từ trường mạnh bao quanh dây cuốn rotor (cịn được gọi là phần

ứng).

Hình 1.3. Động cơ điện 1 chiều
Càng nhiều vòng dây, càng nhiều dòng điện chạy trong phần ứng tạo thành từ
trường mạnh hơn. Từ trường càng mạnh, lực quay càng khỏe và rotor sẽ quay càng
nhanh.
9


Động cơ điện một chiều hiện đại có khả năng tạo mô men quay lớn tại tốc độ
quay nhỏ và có khả năng điều chỉnh hướng chuyển động.
1.2.5 Động cơ điện một chiều không chổi than
Động cơ điện một chiều khơng chổi than có cấu trúc tương tự động cơ điện
xoay chiều đồng bộ nhưng có các điểm khác biệt quan trọng.

Hình 1.5.Động cơ điện 1 chiều khơng chổi than
Động cơ một chiều khơng chổi than (khơng có cổ góp cơ khí) sử dụng cuộn dây
stator nhưng rotor là nam châm vĩnh cửu.
Để tạo từ trường quay, stator được cấp năng lượng theo một trình tự cụ thể với
điện năng thay đổi theo tần số, pha, phân cực và dòng điện để quay rotor theo yêu cầu
của ứng dụng.
Điều khiển điện năng trong thiết kế động cơ điện một chiều không chổi than rất
phức tạp và được điều khiển bởi vi xử lý kết hợp với các linh kiện điện tử khác. Thiết
bị dùng để điều khiển điện năng này được gọi là bộ điều khiển động cơ.
1.2.6 Động cơ bước
Động cơ bước là một dạng của động cơ một chiều không chổi than.
Trong động cơ bước, rotor và stator được thiết kế sao cho các bước quay rất
nhỏ và liên kết từ trường giữa chúng là rất lớn ở mỗi bước quay.
Thiết kế của stator và rotor giúp tập trung từ trường và khóa rotor chính xác
theo một góc quay xác định.

10


Hình 1.6. Động cơ bước
Nhờ có vi xử lý điều khiển điện năng đến cuộn dây stators, chúng ta có thể điều
chỉnh góc quay, chiều quay và tốc độ quay của động cơ bước.
1.2.7 Động cơ Servo
Động cơ servo có thể là bất kì loại động cơ nào vừa nêu khi kết hợp với bộ điều
khiển động cơ servo, phản hồi và hệ thống điều khiển thích hợp.
Động cơ servo dùng trong đồ chơi điều khiển vơ tuyến thì thường sử dụng thiết
kế mạch DC truyền thống rẻ tiền để giảm kích thước và hạ giá thành sản phẩm.
Động cơ servo trong công nghiệp đáp ứng được yêu cầu tốc độ nhanh, độ chính
xác cao và sản sinh ra mơ men lớn trong suốt dải hoạt động là dựa vào thiết kế của
động cơ điện một chiều khơng chổi than.
Vì vậy, động cơ được chọn để sử dụng trong mô hình đồ án là động cơ 1 chiều
775.
1.3 Động cơ 1 chiều 775
1.3.1 Motor 775
Là một loại động cơ có trục quay tròn, sử dụng nguồn điện một chiều 12V trở
lên. Và có thể chế được rất nhiều đồ dùng như: máy cắt cỏ, máy cắt gỗ, máy mài, máy
khoan, máy bơm… và các loại máy tùy vào độ sáng tạo của chúng ta.

11


Hình 1.8.Động cơ 775
Motor 775 là loại động cơ cỡ nhỏ sử dụng nguồn điện một chiều DC từ 12V36V.
Chủ yếu được sản xuất từ Trung Quốc.
Vì có rất nhiều dịng motor từ cơng suất nhỏ đến lớn và kích thước khác nhau

nên người ta đặt tên 775 là do kích thước của nó.

Hình 1.9. Số đo của động cơ 1 chiều
Đường kính trục: 5mm
Chiều dài trục: 17mm
Chiều dài motor: 66.7mm
Đường kính mặt trịn trước trục: 17.5mm
Độ cao của mặt trịn trước trục: 4mm
Đường kính motor: 42mm
Chiều dài tổng thể của động cơ: 98mm
Kích thước vít cố định motor: M4
12


Mô men xoắn: 2kg.cm hoặc 0.2N.M
1.3.2 Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo bên trong motor 775
a.Nguyên tắc hoạt động:
Motor 775 có một phần lõi là Roto được ghép bởi 5 miếng kim loại và có dây
đồng quấn xung quanh thành các vịng trịn.
Phần vỏ có 2 cục nam châm to (là phần Stato) tĩnh, khi có dịng điện chạy qua
thì roto tạo ra từ trường với stato và làm quay trục động cơ.
Nguồn sử dụng cho dòng motor này phải sử dụng nguồn từ 12v đến 24V, và
dòng tối thiểu để cấp cho motor hoạt động là từ 5mAh

Hình 1.10. Cấu tạo của motor 775

Hình 1.11. Bên trong motor 775
c. Nguồn sử dụng cho motor 775:
Với motor 775 thì ban đầu với mình việc kiếm nguồn khó bởi vì Motor 775 sử
dụng nguồn có dịng xả cao. Do đó với nguồn 12V như của các đầu kỹ thuật số Set

Top box cho tivi thì hồn tồn khơng sử dụng được.
Khi sử dụng nguồn là củ sạc 12V thì dịng tối thiểu phải là 5A trở lên.
Nguồn 18V thì dịng phải từ 3A để đảm bảo cơng suất.
Dịng yếu q thì motor chạy được nhưng khơng hiệu quả.
13


d.Ưu và nhược điểm của motor 775:
- Ưu điểm:
Dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác
nhau. Nhưng ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều đó là điều chỉnh, thay đổi
tốc độ và khả năng làm việc trong điều kiện q tải. Động cơ điện một chiều khơng
những có thể điều chỉnh rộng và chính xác , mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời
lại đạt chất lượng cao so với động cơ điện khơng đồng bộ.
- Nhược điểm:
Có hệ thống cổ góp- chổi than nên vận hành kém độ chính xác và khơng đảm
bảo an tồn an tồn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
1.3 Lý do chọn:
Có nhiều lý do để sử dụng động cơ 1 chiều, bao gồm:
Động cơ 1 chiều 775 được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như máy
khoan, máy cưa, máy mài, máy phun sơn, robot, máy in 3D và các thiết bị khác. Lý do
chính là do động cơ này có nhiều ưu điểm như:
Cơng suất cao: Động cơ 1 chiều 775 có cơng suất từ 60W đến 300W, cho phép
nó thực hiện các tác vụ nặng nhọc và phức tạp.
Tính linh hoạt: Động cơ 1 chiều 775 có thể được điều chỉnh tốc độ và hướng
quay một cách dễ dàng, giúp nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau
Chi phí thấp hơn: Động cơ 1 chiều 775 thường ít phức tạp hơn và có chi phí sản
xuất, vận hành và bảo trì thấp hơn so với động cơ 3 chiều.
Hiệu quả cao: Động cơ 1 chiều 775 làm việc hiệu quả hơn trong các ứng dụng
có tính chất đơn giản và đòi hỏi tốc độ tốc độ thay đổi thấp.

Kích thước nhỏ hơn: Động cơ 1 chiều 775 có kích thước nhỏ hơn so với động
cơ 3 chiều, cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng cần thiết kế nhỏ
Một số phương pháp để xác định tốc độ của động cơ 1 chiều:
- Sử dụng cơng thức tính tốc độ: Tốc độ của động cơ 1 chiều có thể được tính bằng
cơng thức: V = (E / K), trong đó V là tốc độ, E là điện áp đầu vào và K là hệ số hằng
số của động cơ. Tuy nhiên, để tính tốn chính xác, cần biết giá trị của K cho từng loại
động cơ.
14


- Sử dụng đồng hồ đo tốc độ: Có thể sử dụng đồng hồ đo tốc độ để đo tốc độ của động
cơ 1 chiều. Để làm được điều này, đồng hồ tốc độ sẽ được kết nối với động cơ và đo
số vịng quay của nó trong một khoảng thời gian nhất định. Sau đó, tốc độ của động cơ
có thể được tính bằng cách chia số vịng quay trong khoảng thời gian đó cho đơn vị
thời gian.
- Sử dụng encoder: Encoder là một cảm biến có khả năng đo số vịng quay của động cơ
và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Tốc độ của động cơ có thể được tính bằng cách
đọc tín hiệu điện này và chia số vòng quay trong một đơn vị thời gian để tính tốn tốc
độ.
- Sử dụng mạch điện tử đo tốc độ: Có thể sử dụng một mạch điện tử đơn giản để đo tốc
độ của động cơ 1 chiều. Mạch này sẽ đo số xung tín hiệu điện từ động cơ trong một
khoảng thời gian nhất định và tính tốn tốc độ dựa trên số xung đó.
1.4 Bài tốn
Thiết kế và chế tạo bộ khoan phôi tự động điều khiển bằng PLC S7-1200 và
hiển thị trên HMI Mitsubisi GS2107-WTBD.
1.5 Kết luận chương 1
Sau quá trình tìm hiểu và tham khảo về các vần đề liên quan đến đề tài, chúng
em đã hiểu được về đề tài và vạch được những lối đi của nhóm để có thể làm những
bước tiếp theo để có thể hồn thiện đề tài được giáo phó.

15


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều
a) Mạch điều khiển tốc độ motor PWM DC
PWM hay phương pháp thay đổi độ rộng xung là 1 kỹ thuật giúp điều chỉnh giá
trị trung bình hiện tại của điện áp chạy đến thiết bị điện tử bằng cách bật tắt nguồn với
một tốc độ nhanh. Điện áp trung bình cịn phụ thuộc vào chu kỳ của xung hoặc là
lượng thời gian tín hiệu ON trong tương quan với lượng thời gian tín hiệu OFF trong
cùng một khoảng thời gian được quy định.
Vì vậy, cịn tùy thuộc vào kích thước cụ thể của động cơ, có thể chỉ cần kết nối
đầu ra của Arduino vào chân của điện trở hoặc Mosfet và tiến hành điều khiển tốc độ
của motor bằng cách điều khiển đầu ra của PWM. Tín hiệu Arduino có cơng suất thấp
được bật tắt chân tại Mosfet, qua đó động cơ cơng suất cao sẽ được điều khiển.

Hình 2.1.Sơ đồ mạch điện điều khiển động cơ PWM DC
b) Điều khiển động cơ DC bằng mạch cầu H
Để điều khiển hướng quay của motor, cần đảo ngược lại hướng của dòng điện
chạy qua động cơ bằng cách sử dụng mạch cầu H. Một mạch cầu H chứa 4 chân được
chuyển mạch, điện trở hoặc Mosfet cùng với động cơ ở trung tâm sẽ tạo thành một cấu
16


hình trong giống như hình chữ H. Bằng cách kích hoạt 2 chiếc cơng tắc cùng một lúc,
có thể thay đổi hướng đi của dòng điện, đồng thời thay đổi được hướng quay của động
cơ.
Nếu kết hợp được 2 phương thức PWM và HBridge thì sẽ có thể kiểm sốt
hồn tồn tốc độ động cơ DC. Có nhiều trình điều khiển tốc độ động cơ DC có các tính
năng độc đáo này và L298N cũng là một trong số đó.

Hình 2.2.Sơ đồ điều khiển động cơ DC bằng mạch cầu H
c) Bộ điều khiển tốc độ motor DC Chip L298N
L298N là trình để điều khiển động cơ HBridge kép cho phép điều khiển tốc
độ và hướng quay của 2 động cơ DC cùng 1 lúc. Mơ đun có thể điều khiển được động
cơ DC mà vẫn có điện áp trong khoảng từ 5 35V cùng với dòng điện cực đại có thể lên
đến 2A.
Khi đó, cần xem xét kỹ hơn về sơ đồ phần chân của mô đun L298N để giải
thích được cách thức, ngun lý hoạt động . Mơ đun L298N có 2 nhóm chân dành
riêng cho động cơ A và B và 1 chân ở giữa dành cho chân Ground và VCC cho động
cơ cùng với chân 5V có thể được xem là đầu vào hoặc đầu ra.
Điều này còn phụ thuộc vào điện áp đang được sử dụng ngay tại động cơ VCC.
Mơ đun này có tới 5 bộ điều chỉnh 5V trên board mạch được bật/ tắt bằng cách sử
dụng sợi dây nối. Nếu điện áp cung cấp của động cơ lên đến 12V thì kích hoạt được bộ
17


điều chỉnh 5V và chân 5V lúc này có thể được sử dụng để làm đầu ra để cấp nguồn
cho board mạch Arduino.
Nhưng nếu điện áp của động cơ lớn hơn giá trị 12V, phải ngắt kết nối dây vì
điện áp cao quá sẽ làm hư hỏng bộ điều chỉnh 5V ở trên board. Trong trường hợp này,
phần chân 5V sẽ được dùng để làm đầu vào kết nối vào nguồn điện 5V để cho IC có
thể hoạt động bình thường.
IC L298N sẽ làm giảm điện áp xuống còn khoảng 2V. Khi sử dụng nguồn điện
12V thì điện áp tại các chân của động cơ sẽ còn vào khoảng 10V. Điều đó có nghĩa là
sẽ khơng thể cung cấp được tốc độ tối đa cho đầu ra của động cơ DC.

Hình 2.3. Bộ điều khiển tốc độ motor DCChip L298N
Các chân ở nút Bật A và Bật B thường được sử dụng để có thể bật và kiểm sốt
tốt tốc độ của động cơ. Nếu 1 dây có mặt trên của chân này, động cơ sẽ được kích hoạt

và thực hiện hoạt động ở tốc độ tối đa. Nhưng loại bỏ dây này đi thì có thể kết nối
thêm 1 đầu vào PWM cùng với chân này và có thể kiểm sốt được tốc độ của động cơ.
Cịn nếu muốn kết nối chân này với Ground thì cần lưu ý rằng động cơ cũng sẽ bị vơ
hiệu hóa.
Nếu đầu vào 1 nằm ở mức THẤP và đầu vào 2 nằm ở mức CAO thì động cơ sẽ
di chuyển ngay về phía trước. Ngược lại, nếu như đầu vào 1 đang nằm ở mức CAO và
đầu vào số 2 đang ở mức THẤP thì động cơ sẽ di chuyển theo hướng lùi. Trong trường
18


hợp cả 2 đầu vào đều có giá trị giống nhau, đều THẤP hoặc đều CAO, động cơ lúc
này sẽ dừng. Điều tương tự sẽ được áp dụng cho đầu vào số 3 và 4 và động cơ B.
2.2 Bộ điều khiển PLC sử dụng phương pháp PWM
Phương pháp PWM trong PLC S7 1200: Trong chế độ điều chế độ rộng xung,
các đầu ra được cấu hình tương ứng cung cấp tín hiệu đầu ra được điều chế độ rộng
xung. Điều chế độ rộng xung được đặc trưng bởi chu kỳ xung và hệ số nhiệm vụ
của nó (duty factor). Hệ số nhiệm vụ mô tả mối quan hệ giữa thời gian làm việc của
xung và chu kỳ xung. Thời gian làm việc của xung được tính từ chu kỳ và hệ số
nhiệm vụ:
Thời gian ON của xung = hệ số nhiệm vụ x chu kỳ. Ví dụ về hệ số nhiệm vụ là
50% và chu kỳ là 10ms:
Thời gian ON của xung 0,5 x 10ms = 5ms
Tín hiệu đầu ra là tín hiệu sóng vng (chuỗi xung bật và tắt).

Hình 2.4.Dạng sóng tín hiệu ngõ ra dạng xung vng của PLC
Ta có thể thay đổi các giá trị độ rộng xung (Thời gian ON) theo phần trăm khác
nhau để thay đổi điện áp ngõ ra của PLC. Nghiên cứu này sử dụng tín hiệu ngõ ra ở
cơng thức (1.1) cấp cho đầu vào analog của biến tần để điều khiển tốc độ động cơ
thông qua biến tần.
2.3 PWM là gì?

PWM là một loại tín hiệu có thể được tạo ra từ một vi mạch kỹ thuật số như vi
điều khiển hoặc bộ định thời 555. Do đó, tín hiệu được tạo ra sẽ có một nhóm các
xung và các xung này sẽ ở dạng một sóng vng. Có nghĩa là, tại bất kỳ thời điểm cụ
thể nào, sóng sẽ cao hoặc sẽ thấp. Khoảng thời gian mà tín hiệu duy trì ở mức cao
được gọi là “đúng giờ” và khoảng thời gian tín hiệu duy trì ở mức thấp được gọi là
“thời gian tắt”.
19


- Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển dòng điện tiện lợi
cho phép bạn kiểm soát tốc độ của động cơ, sản lượng nhiệt của máy sưởi và hơn thế
nữa theo cách tiết kiệm năng lượng (và thường là êm hơn). Các ứng dụng hiện có cho
PWM bao gồm, nhưng khơng giới hạn:
+ Bộ điều khiển quạt tản nhiệt tốc độ thay đổi.
+ Hệ thống truyền động máy nén VRF HVAC.
+ Mạch truyền động động cơ xe hybrid và điện.
+ Bộ điều chỉnh độ sáng LED.
- Điều biến độ rộng xung đã thay đổi thế giới bằng cách cắt giảm mức tiêu thụ
điện năng của các thiết bị sử dụng động cơ như máy điều hịa khơng khí biến tần, tủ
lạnh biến tần, máy giặt biến tần, trong số nhiều thiết bị khác. Ví dụ, máy điều hịa
khơng khí biến tần có thể tiêu thụ ít hơn một nửa năng lượng so với máy điều hịa
khơng khí biến tần trong một số trường hợp.
2.4 PWM hoạt động như thế nào?
- PWM hoạt động bằng cách tạo xung dòng điện một chiều và thay đổi khoảng
thời gian mà mỗi xung ở trạng thái “bật” để kiểm sốt lượng dịng điện chạy đến một
thiết bị. PWM là kỹ thuật số có hai trạng thái: bật và tắt (tương ứng với 1 và 0 trong
ngữ cảnh nhị phân).
- Mỗi xung được bật càng lâu, đèn LED sẽ càng sáng. Do khoảng thời gian giữa
các xung quá ngắn nên đèn LED khơng thực sự tắt. Nói cách khác, nguồn điện của đèn
LED bật và tắt quá nhanh (hàng nghìn lần mỗi giây) đến mức đèn LED thực sự vẫn

sáng mà không nhấp nháy. Điều này được gọi là làm mờ PWM, và mạch như vậy chỉ
được gọi là mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM.
- Khi chu kỳ làm việc của bộ nguồn PWM được đặt thành 70%, xung bật trong
70% thời gian và tắt 30% thời gian. Chu kỳ nhiệm vụ đề cập đến lượng thời gian được
bật. Ở chu kỳ hoạt động 70%, độ sáng của đèn LED phải gần 70%. Mối tương quan
giữa chu kỳ nhiệm vụ và độ sáng khơng phải là tuyến tính 100%, vì hiệu suất của đèn
LED thay đổi theo lượng dịng điện được cung cấp.
- Nếu chu kỳ nhiệm vụ là 0%, tồn bộ tín hiệu bằng phẳng. Chu kỳ nhiệm vụ
PWM là 0% là nguồn bị tắt và đèn LED không hoạt động.
2.5 Chu kỳ nhiệm vụ và tần số PWM
20