ĐIỀU KHIỂN TỊNH TIẾN CON TRƯỢT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ
TỊNH TIẾN CON TRƢỢT

Chuyên ngành : Sƣ phạm Kỹ thuật Điện

Hà Nội - 2017


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU........................................................ 3
1.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều ............................................. 3
1.1.1. Vai trò của động cơ điện một chiều .................................................. 3
1.1.2. Ƣu và nhƣợc điểm động cơ một chiều .............................................. 3
1.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều ................................................................. 4
1.2.1. Stato................................................................................................... 5
1.2.2 Roto .................................................................................................... 6
1.3Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều ................................................... 7
1.4. Các phƣơng pháp thay đổi tốc độ động cơ................................................. 8
1.4.1. Khái niệm chung ............................................................................... 8
1.4.2. Phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng........................................... 9
1.4.3. Phƣơng pháp thay đổi điện trở phần ứng ........................................ 10
1.4.4. Phƣơng pháp thay đổi từ thông kích từ ........................................... 12
1.5. Đảo chiều quay của động cơ .................................................................... 13
1.5.1. Giới thiệu về mạch cầu H................................................................ 13
1.5.2. Nguyên tắc hoạt động chung của mạch cầu H. ............................... 14
1.5.3. Các dạng của mạch cầu H ............................................................... 15

1.5.4. Ƣu nhƣợc điểm của mạch cầu H ..................................................... 18
1.6. Tiểu kết..................................................................................................... 18
CHƢƠNG 2. CHẾ TẠO MÔ HÌNH ........................................................... 20
2.1Mô hình điều khiển con trƣợt..................................................................... 20
2.1.1. Thanh trƣợt bi................................................................................. 20


2.1.2 Trục Vitme và gối đỡ vòng bi ........................................................ 22
2.1.3. Khung, giá đỡ , công tắc hành chình và thƣớc mét....................... 26
2.1.4. Động cơ ......................................................................................... 31
2.2. Mô hình bộ điều khiển ............................................................................. 33
2.2.2. Khối hiển thị.................................................................................. 33
2.2.3. Khối điều khiển động cơ ............................................................... 34
2.2.4. Khối keypad và khối đọc giá trị encoder ...................................... 36
CHƢƠNG 3. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .................................................. 39
3.1. Lập trình Arduino Uno ............................................................................. 39
3.1.1. Sơ đồ mạch .................................................................................... 39
3.1.2. Lập trình ........................................ Error! Bookmark not defined.
3.2. Sản phẩm và khảo sát thực nghiệm .......................................................... 42
KẾT LUẬN .................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 45


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu tạo chung của động cơ một chiều .............................................. 5
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều............................ 7
Hình 1.3. Các đƣờng đặc tính cơ của động cơ một chiều khi điện áp phần ứng
thay đổi ............................................................................................................ 10
Hình 1.4. Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng .................................... 11
Hình 1.5. Các đƣờng đặc tính cơ khi thay đổi từ thông .................................. 12

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng transitor ................................... 15
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng Transistor P,N hay Fet ............ 16
Hình 1.8. Cấu tạo và hình dáng của rơle thông dụng...................................... 17
Hình 1.9. Mạch cầu H dùng rơle ..................................................................... 17
Hình 1.10. Nguyên lý hoạt động mạch cầu H ................................................. 14
Hình 2.1. Cấu tạo chung của một thanh trƣợt ................................................. 20
Hình 2.2. Thanh trƣợt bi vuông....................................................................... 21
Hình 2.3. Thanh trƣợt tròn có đế..................................................................... 21
Hình 2.4. Hình ảnh thanh trƣợt và con trƣợt trên mô hình thực tế ................. 22
Hình 2.5. Trục vitme bi ................................................................................... 23
Hình 2.6. Đai ốc .............................................................................................. 24
Hình 2.7. Hình ảnh trục vitme sử dụng trên mô hình ..................................... 24
Hình 2.8. Gối đỡ vòng bi................................................................................. 25
Hình 2.9. Hình ảnh gối đỡ vòng bi trên mô hình ............................................ 26
Hình 2.10. Thanh nhôm định hình .................................................................. 27
Hình 2.11. Hình ảnh thực của khung .............................................................. 28
Hình 2.12. Tấm phíp cách điện ....................................................................... 29
Hình 2.13. Các tấm fomex .............................................................................. 29
Hình 2.14. Tấm mica trên mô hình ................................................................. 30
Hình 2.15. Công tắc hành trình trên mô hình ................................................. 30
Hình 2.16. Động cơ điện một chiều thực tế .................................................... 31
Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động của encoder ................................................. 32


Hình 2.18. Nguồn biến đổi AC-DC ................................................................ 33
Hình 2.19. LCD ............................................................................................... 34
Hình 2.20. Module L298 ................................................................................. 35
Hình 2.21. Keypad trên mô hình thực ............................................................. 37
Hình 2.22. Board Arduino Uno ....................................................................... 37
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ............................................................. 40

Hình 3.2. Sơ đồ mạch in toàn mạch ................................................................ 41
Hình 3.3. Sơ đồ mạch in 3D ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4. Sơ đồ mạch thực tế .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5. Sản phẩm thực tế ............................................................................. 42

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số chi tiết của Arduino Uno
Bảng 3.1. Khảo sát


LỜI MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong nền sản xuất hiện đại ngày nay việc đƣa máy móc cũng nhƣ các
thiết bị công nghệ vào trong quá trình vận hành đã đần thay thế con ngƣời .
Sử dụng các dây truyền công nghệ sản xuất đã tạo hiệu quả cũng nhƣ năng
xuất lao động đƣợc tăng cao hơn rất nhiều .Trong dây truyền đó có sử dụng
thanh trƣợt để đạt những mục đích cũng nhƣ yêu cầu sản phẩm . Xuất phát từ
nhu cầu thực tiễn để điều khiển chính xác vị trí tịnh tiến của các chi tiết máy ,
học sinh – sinh viên cần thực hành trƣc tiếp và nắm phƣơng pháp điều khiển
chính xác vị trí tịnh tiến của con trƣợt .Vì vậy em lựa chọn đề tài “ Điều khiển
chính xác vị trí tịnh tiến con trƣợt “
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Bộ thực hành điều khiển đƣợc chính xác vị trí tịnh tiến con trƣợt
Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu , nhiệm vụ của đề tài phải giải quyết
các vấn đề sau :
+Chế tạo khung và giá đỡ cho động cơ , trục vitme
+Chế tạo mô hình điều khiển con trƣợt
+Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển tốc độ động cơ
+Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển vị trí cho con trƣợt
Phƣơng pháp nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Để thực hiện các nhiệm vụ đặt ra , em đã sử dụng các phƣơng pháp
nghiên cứu sau đây:
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phƣơng pháp thực nghiệm
- Phƣơng pháp chuyên gia
1


Cấu trúc đồ án
Ngoài phần mở đầu , kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục đồ án gồm 3
chƣơng :
CHƢƠNG I. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
CHƢƠNG II. CHẾ TẠO MÔ HÌNH
CHƢƠNG III. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

2


CHƢƠNG 1. ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1.

Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều

1.1.1. Vai trò của động cơ điện một chiều
Ngày nay , mặc dù dòng điện xoay chiều đƣợc sử dụng rất rộng rãi , song
máy điện một chiều vẫn tồn tại, đặc biệt là động cơ điện một chiều.
- Trong đời sống con ngƣời, động cơ điện một chiều đƣợc sử dụng rất phổ
biến trong nhiều lĩnh vực :
+ Các bộ phận khởi động của ô tô, xe máy, máy kéo…
+ Các hệ truyền động có công suất nhỏ nhƣ quạt điện, máy say sinh tố,

đông cơ bơm nƣớc….
+ Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…..
- Trong công nghiệp , động cơ điện một chiều có vai trò đặc biệt quan trọng,
đƣợc ứng dụng trong máy cắt kim loại , các máy công cụ, trong giao thông
vận tải hay các thiết bị cầu trục ; trong máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy
cán…..
1.1.2. Ưu và nhược điểm động cơ một chiều
- Ƣu điểm:
+ Động cơ điện một chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng:Vì động cơ
điện một chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi

,

,

nên

tốc độ động cơ có thể đƣợc chỉnh tốc trong miền dƣới và miền trên tốc độ
định mức
+ Chất lƣợng điều chỉnh tốt , dễ điều chỉnh tốc độ : Do động cơ điện một
chiều có đƣờng đặc tính cơ dạng tuyến tính nên dễ dàng điều khiển tốc độ.
Đặc biệt là với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phần kích từ và
phần ứng riêng biệt nên càng dễ dàng cho việc điều khiển .Bên cạnh đó động

3


cơ điện một chiều có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ , độ trơn điều chỉnh
mịn , độ dài điều chỉnh rộng…
+ Ngoài những ƣu điểm đó động cơ điện một chiều còn có cấu trúc mạch

lực , mạch điều khiển đơn giản hơn so với loại động cơ khác. Chính vì vậy,
động cơ điện một chiều đƣợc sử dụng rất phổ biến trong các ngành công
nghiệp yêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác,
bằng phẳng , phạm vi điều khiển rộng nhƣ ngành cán thép, hầm mỏ …..
- Nhƣợc điểm
+ Cần nguồn điện một chiều
+ Bảo quản cổ góp phức tạp
+ Dễ sinh tia lửa điện
+ Giá thành cao
1.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính:
- Phần tĩnh: Stato
- Phần quay: Roto

4


Hình 1.1 Cấu tạo chung của động cơ một chiều
1.2.1. Stato
Đây là phần đứng yên của động cơ ( phần tĩnh ).
Phần tĩnh bao gồm: cực từ chính , cự từ phụ , gông từ và các bộ phận khác
a.Cực từ chính
- Là bộ phận sinh ra từ trƣờng
- Gồm: lõi sắt cự từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ
+ Lõi sắt làm bằng lá thép kỹ thuật dày từ 0,5mm đến 1mm
+ Dây quấn kích từ đƣợc quấn từ các dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn
dây đều đƣợc bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trƣớc khi
đặt lên trên các cực từ. Các cuộn này đƣợc nói nối tiếp nhau
b.Cực từ phụ
- Đƣợc đặt giữa các cực từ chính dùng cải thiện đổi chiều

- Lõi thép phụ làm bằng thép khối còn dây quấn giống dây quấn cực từ chính
- Cực từ phụ đƣợc gắn vào vỏ nhờ các bulông
c.Gông từ
- Dùng làm mạch từ nối liền các cực từ
- Dùng làm vỏ máy
d. bộ phận khác: Nắp máy , cơ cấu chổi than
- Cơ cấu chổi than gồm chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì
chặt lên cổ góp. Hộp chổi than đƣợc cố định lên giá chổi than và cách điện
với giá .Giá chổi than có thể quay đƣợc để điều chỉnh vị trí chổi than đúng
chỗ
- Nắp máy : Để đảm bảo an toàn điện cho ngƣời dùng
5


1.2.2 Roto
- Đây là phần quay của động cơ
- Gồm: Lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác
a.Lõi sắt phần ứng
-Dùng để dẫn từ
-Thƣờng làm bằng lá thép kỹ thuật điện ( thép hợp kim silic ) thƣờng bôi cách
điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra
b. Dây quấn phần ứng
- Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua
- Dây thƣờng có tiết diện tròn với máy điện nhỏ , tiết diện hình chữ nhật với
máy điện lớn
- Khi quấn dây có dùng thêm nêm hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm
bằng tre , gỗ, ba-ke-lit
c.Cổ góp
- Dùng đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều
- Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica

dày 0.4 đến 1,2mm và hợp thành một trụ tròn.Hai đầu trụ tròn dùng hai vành
ốp hình chữ V ép chặt lại .Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn cácđầu dây
của các phần tử dây quấn vào các phiến góp đƣợc dễ dàng
d. Các bộ phận khác: Cánh quạt , trục máy
- Cánh quạt: Thƣờng lắp trên trục động cơ dùng để tản nhiệt. Khi động cơ
quay , cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ .Gió đi qua vành góp , cực từ ,
lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ.
- Trục máy : Thƣờng đƣợc làm bằng thép cacbon tốt vì trên nó có đặt lõi sắt,
cổ góp, cánh quạt và ổ bi
6


1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tƣợng cảm ứng
điện từ

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Nhƣ ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trƣờng sẽ chịu tác
dụng lực từ. Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở
chổi than B thì các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ.
Do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dƣới cực N và đi ra ở các thanh
dẫn chỉ nằm trên cực S nên dƣới tác dụng của từ trƣờng lên các thanh dẫn sẽ
sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần
ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này
động cơ đƣợc gọi là động cơ kích từ độc lập.
Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây cuốn kích từ
sinh ra từ thông Φ. Trong tất cả các trƣờng hợp, khi mở máy bao giờ cũng
phải đảm bảo có Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ
7

nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ
= 0, M = 0, động cơ sẽ không quay đƣợc.
Do đó Eƣ=0 và theo biểu thức

(1.1) thì dòng điện Iƣ sẽ

rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ sinh ra lớn hơn mômen cản
(M > Mc) rôto bắt đầu quay và suất điện động Eƣ sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ
quay n. Do sự xuất hiện và tăng lên của Eƣ, dòng điện Iƣ sẽ giảm theo, M giảm
khiến n tăng chậm hơn.
Chú ý :
-Trƣớc khi mở máy động cơ ta phải điều chỉnh biến trở kích từ để từ thông đạt
giá trị lớn nhất
- Trong khi hoạt động , cần duy trì từ thông kích từ lớn hơn một giá trị tối
thiểu cho phép
- Đối với động cơ dùng nam châm vĩnh cửu thì cần đảm bảo cƣờng độ từ
trƣờng đủ lớn và đều
1.4. Các phƣơng pháp thay đổi tốc độ động cơ
1.4.1. Khái niệm chung
Nhƣ ta đã biết mỗi một loại máy sản xuất đều có những yêu cầu riêng biệt
về tốc độ. Tùy theo công việc cũng nhƣ điều kiện làm việc mà ta tự chọn cho
mình những máy có tốc độ phù hợp để tạo năng suất cao. Vậy muốn có đƣợc
các mức tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy nhƣ tỉ số
truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính
Ở động cơ một chiều việc thay đổi tốc độ động cơ có nhiều lợi thế hơn
các phƣơng pháp khác hay hoạt động khác để thay đổi đƣợc tốc độ của nó.
Theo lý thuyết máy điện ta có
=

-

M (1.2)
8


Ta thấy
ứng ),

( tốc độ của động cơ phụ thuộc

(từ thông ), R( điện trở phần

( điện áp phần ứng ).Vì vậy điều chỉnh động cơ có 3 phƣơng pháp

nhƣ sau :
-Phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng
-Phƣơng pháp mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng
-Phƣơng pháp thay đổi từ thông kích từ
1.4.2. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Nếu ta giữ nguyên điện trở và từ thông và thay đổi điện áp :

Tốc độ không tải lý tƣởng thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp :



=

= var (1.3)

Độ cứng đặc tính cơ :

=-

= const (1.4)

Vì điện áp phần ứng không thể vƣợt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể
thay đổi về phía giảm.Vậy mỗi khi ta thay đổi điện áp phần ứng ta đƣợc các
đƣờng đặc tính cơ song song với đƣờng đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn
đƣờng đặc tính cơ tự nhiên
- Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta đƣợc một họ đặc tính cơ
song song với đƣờng đặc tính cơ tự nhiên và độ cứng đặc tính cơ không đổi
- Khi giảm điện áp phần ứng của động cơ thì dòng điện ngắn mạch sẽ giảm ,
mô men ngắn mạch của động cơ cũng giảm -> tốc độ động cơ giảm ứng với
một phụ tải nhất định
- Phƣơng pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên tốc độ định mức và
dƣới tốc độ định mức .Phƣơng pháp cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong
giới hạn 1:10 thậm chí còn có thể là 1:25
9


- Điều chỉnh động cơ điện một chiều sử dụng PWM chính là sử dụng phƣơng
pháp này

Hình 1.3 Các đƣờng đặc tính cơ của động cơ một chiều khi điện áp phần
ứng thay đổi
Nhận xét :
- Không gây tổn hao trong động cơ điện
- Phải có nguồn riêng , có điện áp điều chỉnh đƣợc

- Cho phép điều chỉnh tốc độ quay dƣới tốc độ định mức
- Không gây tiếng ồn
- Dải điều chỉnh rộng
- Độ cứng đặc tính cơ không đổi trong dải điều chỉnh
- Điều khiển phức tạp
1.4.3. Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Phƣơng pháp này chính là giữ nguyên điện áp , từ thông và thay đổi điện
trở phần ứng ta đƣợc :
- Tốc độ không tải lý tƣởng :

= const (1.5)
10


- Độ cứng đặc tính cơ :

= var (1.6)

Hình 1.4. Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng
Khi thay đổi

thì

= const còn Δω thay đổi, vì vậy ta đƣợc các đƣờng

đặc tính điều chỉnh có cùng ω0 và dốc dần khi
thì tốc độ càng thấp. Nhƣ vậy: 0 <

<

càng lớn, với tải nhƣ nhau

< ... thì

>

> ω2 > ... ,

nhƣng nếu tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M =< Mc và nhƣ thế
động cơ sẽ không quay đƣợc và ở chế độ ngắn mạch, ω = 0. Lúc này, ta có
thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng không, nghĩa là không điều chỉnh đƣợc tốc độ
động cơ.Do vậy phƣơng pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ động cơ
Trong thực tế khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng sẽ gay ra tổn hao
công suất lớn và không thể điều chỉnh trơn tốc độ đƣợc nên phải điều chỉnh
theo từng cấp điện trở
Nhận xét :
- Phƣơng pháp này chỉ cho phép giảm tốc độ
-Tổn hao lớn khi tăng điện trở phụ
- Phải điều chỉnh theo từng cấp điện trở
11


- Luôn làm tổn hao năng lƣợng , làm giảm hiệu suất
1.4.4. Phương pháp thay đổi từ thông kích từ
Phƣơng pháp này ta giữ nguyên điện áp phần ứng, điện trở phần ứng và
thay đổi dòng điện kích từ .Tức là ta chỉ thay đổi từ thông của mạch từ

Hình 1.5 Các đƣờng đặc tính cơ khi thay đổi từ thông
Khi thay đổi Φ →

và Δω đều thay đổi, vì vậy ta sẽ đƣợc các đƣờng

đặc tính điều chỉnh dốc dần (độ cứng đặc tính cơ β giảm) và cao hơn đặc tính
cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ, với tải nhƣ nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ
thông Φ. Nên phƣơng pháp này dùng để tăng tốc độ động cơ
Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển
mạch của cổ góp cũng bị xấu đi. Nếu muốn đảm bảo chuyển mạch bình
thƣờng thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép.Nhƣng nếu làm vậy
thì momen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Do đó giá trị lớn nhất
của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp.

12


Phƣơng pháp này chịu ảnh hƣởng của hiện tƣợng từ dƣ và các nhiễu .Điều
này đã làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của cả hệ truyền động đảo chiều bằng
kích từ
Việc điều chỉnh đƣợc thực hiện trong mạch kích từ, có dòng kích từ nhỏ
hơn rất nhiều mạch lực , nên công suất tổn hao ít
Nhận xét :
- Chỉ điều chỉnh đƣợc tốc độ trên mức tốc độ định mức của động cơ
- Chỉ phù hợp với những công việc có đòi hỏi cao về tốc độ
- Dễ thay đổi tốc độ
- Bị giới hạn trong các điều kiện cơ khí và khi đảo chiều do có hiện tƣợng từ
dƣ và các nhiễu. Chất lƣợng điều khiển không tốt
1.5. Đảo chiều quay của động cơ
1.5.1. Giới thiệu về mạch cầu H
Mạch cầu H đƣợc gọi là mạch cầu H vì nó đƣợc cấu tạo bởi 4 transitor
hay là Fet. Đôi khi mạch cầu H cũng đƣợc cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet
Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn

xuống tải với công suất lớn. Tín hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện
áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải.
Nhƣ vậy nếu tín hiệu điều khiển của mình là nhỏ thƣờng là tín hiệu đầu
ra của vi điều khiển là nhỏ hơn 5V (do các điều chế PWM). Nhƣng để điều
khiển động cơ cần dòng điện và điện áp lớn. Các van điều khiển hay các chân
điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa
(Transitor) dẫn dòng cho tải. Vì vậy ta dùng mạch cầu H.
Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên thế nó hay đƣợc dùng
trong các mạch điều khiển động cơ một chiều và các mạch băm xung áp. Đối
với mạch điều khiển động cơ điện một chiều thì mạch cầu H có thể đảo chiều
13


động cơ quá là đơn giản. Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình
muốn.
1.5.2. Nguyên tắc hoạt động chung của mạch cầu H.
Trong hình 1.6 , hãy xem 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc quy,
“đối tƣợng” là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển , “đối tƣợng” này có 2
đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tƣợng” theo
chiều A đến B hoặc B đến A.
Thành phần chính tạo nên mạch cầu H chính là 4 “khóa” L1, L2 ,R1 VÀ
R2 (L:Left, R:Right). Ở điều kiện bình thƣờng 4 khóa này “mở”,mạch cầu H
không hoạt động.Tiếp theo ta khảo sát hoạt động của mạch cầu H thông qua
các hình minh họa

.Hình 1.6. Nguyên lý hoạt động mạch cầu H

Giả sử bằng cách nào đó mà 2 khóa L1 và R2 đƣợc “đóng lại” (L1 và R1
vẫn mở), dễ dàng hình dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu
A và xuyên qua đối tƣợng đến đầu B của nó. Sau đó đi tiếp qua R2 và về

14


GND (Nhƣ hình 1.6 a). Nhƣ thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối
tƣợng theo chiều từ A đến B.
Bây giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở
,dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tƣợng theo chiều từ B
đến A nhƣ trong hình 1.6 b (Dòng điện chạy từ V, qua khóa R1 rồi tiếp đến A
và xuyên qua đối tƣợng. Sau đó tiếp tục qua L2 rồi cuối cùng về GND).Vậy là
chúng ta có thể dung mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một “đối
tƣợng” (hay cụ thể là đảo chiều động cơ)
1.5.3. Các dạng của mạch cầu H
Mạch cầu H đƣợc cấu tạo bởi 3 dạng chính:
+ Dạng 1: Đƣợc cấu tạo bởi 4 transitor (Fet) Cùng kênh N.
Nguyên lý mạch đƣợc cấu tạo nhƣ sau (dùng transitor để mình họa)

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng transitor
Đối với dạng này thì đƣợc cấu tạo bởi các Transistor cùng kênh N và chỉ
cần 2 tín hiệu điều khiển kích mở các Transistor.
15


+ Dạng 2: Đƣợc cấu tạo bởi 2 cặp đôi transitor P,N hay FET (Thuận
Ngƣợc). Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của nó đƣợc cấu tạo nhƣ sau:
Đối với thiết kế này quả là thấy khá là ổn định .Và nhƣ thế chúng ta sẽ
thấy là cần 4 tín hiệu điều khiển nhƣng trong thực tế mình chỉ cần 2 tín hiệu
điều khiển đã có thể điều khiển đƣợc Cho nên kiểu dạng 2 này đƣợc sử dụng
nhiều trong lĩnh vực điều khiển hơn.

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng Transistor P,N hay Fet

+ Dạng 3: Mạch cầu H dùng Rơle
Mạch cầu H dùng Rơle:Là một dạng “công tắc”(switch) cơ điện
(electrical mechanical device), chúng gồm các tiếp điểm cơ đƣợc điều khiển
đóng mở bằng dòng điện .Với khả năng đóng mở các tiếp điểm ,rơ le đúng là
một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H.Thêm nữa chúng lại đƣợc điều
16


khiển bằng tín hiệu điện,Nghĩa là chúng ta có thể dùng AVR (hay bất kỳ chip
điều khiển nào) để điều khiển Rowle, qua đó điêu khiển mạch cầu H.

Hình 1.9. Cấu tạo và hình dáng của rơle thông dụng

Hình 1.10. Mạch cầu H dùng rơle
17


Trong mạch cầu H này có 4 con diode đƣợc dùng để chống hiện tƣợng
dòng ngƣợc (nhất là khi điều khiển động cơ). Các đƣờng kích solenoid không
đƣợc nối trực tiếp với chip điều khiển mà thông qua các transistor, việc kích
các transistor lại đƣợc thực hiện qua các điện trở. Mạch cầu H dùng rờ le có
ƣu điểm là dễ chế tạo, chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay rờ le bằng các linh
kiện tƣơng đƣơng nhƣ contactor, dòng điện tải có thể lên đến hàng trăm
ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của rờ le rất
chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tƣợng “dính” tiếp điểm và
hƣ hỏng. Vì vậy, mạch cầu H bằng rờ le không đƣợc dùng trong phƣơng pháp
điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM.
1.5.4. Ưu nhược điểm của mạch cầu H
- Ƣu điểm:
+ Mạch đơn giản dễ thiết kế

+ Chỉ cần một nguồn điện
- Nhƣợc điểm : Nếu nhƣ mạch điều khiển thì cùng bật 2 công tắc ở cùng 1
nửa cầu thì mạch động lực của chúng ta sẽ bị ngắn mạch nguồn. Nếu hiện
tƣợng xảy ra trong 1 thời gian ngắn (Quá độ ) sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua
van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van. Nếu thời gian trùng dẫn đủ
dài, dòng trùng dẫn sẽ lớn làm cháy van công suất.
1.6. Tiểu kết
Động cơ điện một chiều còn có nhiều nhƣợc điểm , song không thể vì thế
mà động cơ điện một chiều bị kém ƣu thế hơn so với các loại động cơ khác ,
nó vẫn đƣợc sử rụng rỗng rãi , phổ biến, ngày càng cải tiến, khắc phục những
nhƣợc điểm vốn có và nâng cao hiệu suất của động cơ … Đặc biệt với ƣu
điểm về phƣơng pháp cũng nhƣ chất lƣợng điều chỉnh, cấu trúc mạch đơn
giản thì rất phù hợp với yêu cầu đề tài của em. Vì vậy với đề tài “ Điều khiển

18


chính xác vị trí tịnh tiến con trƣợt ” em chọn sử dụng động cơ điện một chiều
để điều khiển
Mỗi một phƣơng pháp đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng. Nhƣng em chọn
phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ một
chiều. Vì với đề tài “ Điều khiển chính xác vị trí tịnh tiến con trƣợt “ đòi hỏi
động cơ phải điều chỉnh đƣợc tốc độ trên và dƣới tốc độ định mức. Động cơ
phải dễ điều khiển. Khi hoạt động sai số nhỏ nhất có thể. Chất lƣợng điều
chỉnh phải tốt để có thể điều chỉnh chính xác vị trí con trƣợt. Động cơ phải dễ
dàng đảo chiều để con trƣợt có thể đi lùi lại đƣợc. Khi hoạt động không đƣợc
gây tiếng ồn lớn, đảm bảo là không tổn hao. Chính những lý do trên nên em
chọn phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng
Để đảo chiều quay động cơ điện một chiều em lựa chọn sử dụng mạch
cầu H .Vì mạch cầu H khá đơn giản dễ thiết kế và có chất lƣợng điều chỉnh

khá tốt.

19


CHƢƠNG 2. CHẾ TẠO MÔ HÌNH
2.1Mô hình điều khiển con trƣợt
2.1.1. Thanh trượt bi
Là một thiết bị dẫn động tuyến tính đƣợc tích hợp trong các cơ cấu máy
nhƣ: máy CNC cơ khí chính xác , máy plasma , robot , các máy tự động hóa ,
máy CNC gỗ .
Cấu tạo chung của thanh trƣợt

Hình 2.1. Cấu tạo chung của một thanh trƣợt
Trên thị trƣờng có rất nhiều loại thanh trƣợt nhƣ:

20