Thiết kế mạch analog

1. Chỉ tiêu Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước với các yêu cầu cụ thể là: + Bước góc quay : φ = 9°/ lần + Điện áp mô tơ : Udc = 3V + Dòng điện mô tơ: Idc = 450 mA + Tốc độ quay : n = 3°/ 1ms Giải thích về các yêu cầu: Mạch điều khiển động cơ bước sẽ bao gồm 2 công tắc 2 vị trí để điều khiển động cơ quay thuận hay quay ngược. Khi ta ấn công tắc điều khiển mô tơ quay theo chiều nào thì mô tơ sẽ quay theo chiều đó 1 bước góc quay (theo yêu cầu thiết kế φ = 9°). Chỉ tiêu kỹ thuật của mô tơ có tốc độ quay n = 3°/ ms do đó thời gian để mô tơ quay hết 1 bước góc là: = 3 ms/ lần Như vậy ta cần thiết kế mạch điện để khi bấm công tắc điều khiển quay thi mô tơ được cấp điện trong khoảng thời gian = 3 ms theo chiều đã định. 2. Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý 2.1 Sơ đồ khối: Ta thấy, với yêu cầu thiết kế thời gian quay mỗi lần điều khiển động cơ là xác định = 3 ms và điều khiển động cơ quay thuận nghịch thì điều khiển tối ưu là điều khiển bằng các xung điện áp có độ rộng xác định và các mạch khoá. Như vậy mạch điện sẽ gồm các khối sau: * Các khối điều khiển tạo xung quay thuận (quay nghịch) từng bước tùy theo yêu cầu. * Các khối tạo xung điều khiển các mạch khóa để cấp điện áp cho động cơ trong thời gian , có độ rộng xung xác định. Khối này được kích hoạt nhờ các xung điều khiển động cơ quay thuận hay nghịch. * Khối điều khiển động cơ: Thực chất đây là mạch khoá được kích hoạt nhờ các xung điều khiển, cấp điện cho động cơ hoạt động trong thời gian , quay thuận hay quay nghịch theo yêu cầu. Sơ đồ khối của mạch điện điều khiển động cơ sẽ như sau: Tạo xung kích Tạo thời gian quay thuận Tạo xung kích Tạo thời gian quay ngược Điều khiển Môtơ. Cửa A Cửa B Cửa A: Điều khiển quay thuận. Cửa B: Điều khiển quay ngược. 2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch: Giả thiết ban đầu động cơ không làm việc. Khi ta đóng khoá hay công tắc điều khiển của khối điều khiển quay thuận, khối điều khiển quay thuận sẽ phát ra một xung vuông. Xung này được đưa vào kích hoạt khối tạo xung quay thuận, khối này sẽ gia công lại tạo ra một xung vuông có độ rộng xung tx = theo yêu cầu đưa ra mạch điều khiển động cơ quay thuận nghịch. Mạch này hoạt động như mạch khoá sẽ cấp nguồn cho động cơ trong khoảng thời gian bằng độ rộng xung điều khiển quay thuận khiến cho động cơ quay được một bước quay theo chiều thuận. Tương tự, khi công tắc hay khóa ở khối điều khiển quay nghịch đóng: mạch tạo xung quay nghịch cũng sẽ tạo ra một xung có độ rộng đưa vào mạch điều khiển mô tơ quay thuận nghịch, để cấp nguồn cho mô tơ quay được một bước quay theo chiều nghịch. 2.3 Cấu tạo chung và chức năng của từng khối: 2.3.1 Khối điều khiển quay thuận và quay nghịch : Chức năng: Các khối này có chức năng tạo ra một xung kích thích cho các mạch tạo xung quay thuận (nghịch) khi công tắc hay khoá điều khiển được đóng. Yêu cầu kỹ thuật: Phải đảm bảo chỉ tạo ra xung kích có biên độ đủ lớn ( đột biến biên độ ) khi có yêu cầu điều khiển. Cấu tạo chung: Có rất nhiều phương án thực hiện các khối quay thuận (nghịch) như dao động đa hài, mạch tạo dao động blocking, mạch lật R-S. Trong bài thiết kế này ta lựa chọn mạch lật R-S vì mạch lật R-S có một số ưu điểm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của khối: - Mạch lật R-S có nguyên lý hoạt động đơn giản. - Xung đầu ra có độ ổn định cao và không bị méo dạng. Mạch lật R-S có hai trạng thái ổn định: Khi không có kích thích từ bên ngoài mạch lật nằm ở một trạng thái cân bằng ổn định nào đó và chỉ thay đổi trạng thái khi có kích thích từ bên ngoài. Mạch lật R-S được lắp từ các mạch NAND có ưu điểm là các mạch đơn giản có độ ổn định cao. Sơ đồ nguyên lý như sau: Hoạt động của mạch: - Giả thiết ban đầu khoá K ở vị trí 2: Đầu R được nối với đất còn đầu S được nối với nguồn +Ec qua điện trở R. _ Do đó trạng thái đầu R = ‘0’ ; S = ‘1‘ hay Q = ‘0‘ ; Q = ‘1‘ - Khi ấn khoá K chuyển sang vị trí 1 thì S có đột biến âm, R có đột biến dương: R = ‘1‘ ; S = ‘0‘ làm Q chuyển từ mức lôgic ‘0’ lên mức lôgic ‘1’. - Khi nhả ấn, khoá K chuyển sang vị trí 2 và mạch lại quay về trạng thái ban đầu. Như vậy cùng với việc ấn và nhả khoá K ta có đầu ra Q có các mức tương ứng lần lượt là 0-1-0 ứng với một xung dương. Ta sẽ dùng xung dương để kích thích mạch tạo xung quay thuận nghịch. - Hai điện trở R chọn cỡ vài trăm kW đến 1 MW, Ec ở mức 5V 2.3.2 Khối tạo xung quay thuận (nghịch): Chức năng: Gia công lại tín hiệu xung kích từ mạch điều khiển quay thuận (nghịch) sao cho có độ rộng xung đầu ra phù hợp với yêu cầu bước góc quay và tốc độ của động cơ: Yêu cầu kỹ thuật: Các khối tạo xung quay thuận ( nghịch) phải tạo ra được xung có độ rộng chính xác và có biên độ thích hợp để đóng mở mạch khoá điều khiển mô tơ quay thuận nghịch. Khi không có xung kích từ mạch điều khiển quay, trạng thái đầu ra của mạch phải luôn ổn định. Cấu tạo chung: Có thể sử dụng rất nhiều loại mạch tạo xung như: mạch đa hài đợi dùng Transistor, mạch đa hài đợi dùng NAND, mạch phóng nạp RC dùng NOR (mạch đảo). Yêu cầu kỹ thuật của khối này là tạo xung điều khiển quay có độ rộng chính xác: . Như vậy có thể nói khối này có tác dụng quyết định tới chất lượng của cả mạch điều khiển động cơ quay thuận nghịch. Mạch này có thể làm thay đổi độ rộng xung điều khiển nhờ các giá trị R,C của mạch, qua đó làm thay đổi bước quay của động cơ có tốc độ góc không đổi. Trong bài thiết kế này ta sử dụng phương pháp dùng mạch RC mắc nối tiếp kết hợp với hai phần tử NOR. Mạch này có ưu điểm là xung ra ổn định, không bị méo sườn xung, đồng thời có thể thay đổi độ rộng xung tx bằng cách điều chỉnh giá trị của R và C Sơ đồ nguyên lý của mạch: Mạch có thời gian phục hồi tương đối lớn nên làm giảm tần số công tác vì chu kỳ T = . Để làm giảm thời gian hồi phục của mạch ta mắc thêm vào một diode tiếp điểm để tụ C phóng nhanh qua diode làm giảm thời gian hồi phục. Hoạt động của mạch như sau: - Giả thiết sử dụng đầu vào xung kích là đầu ra Q của mạch lật R-S tức là sử dụng sườn dương của xung kích để kích hoạt mạch tạo xung quay thuận nghịch. - Trạng thái ban đầu: Đầu vào của mạch ở mức ‘0’. Do dòng điện vào cổng NOR là rất nhỏ nên sụt áp trên R1 là không đáng kể nên = Ec - Ur = Ec. Cả hai đầu vào cổng NOR2 ở mức cao do đó đầu ra của NOR2 ở mức thấp ‘0’. Điện áp đầu ra Ur = 0V. Đầu ra này đưa hồi tiếp về 1 đầu vào của NOR1 kết hợp với đầu vào Q=’0’ do đó làm đầu ra của NOR1 ở mức cao, tức là = 5V. Điện áp trên tụ UC = 0V. - Tại thời điểm t1 bấm khoá K: Đầu vào Q của NOR1 có đột biến dương chuyển từ mức lôgic ‘0’ lên mức lôgic ‘1’. Đầu ra của NOR1 có đột biến âm xuống mức ‘0’: UA có đột biến âm, chuyển xuống mức 0V. Do điện áp trên tụ không đột biến nên UA đột biến âm kéo theo UB đột biến âm về 0V. UB=0V kéo theo 2 đầu vào của NOR2 ở mức thấp, làm đầu ra NOR2 chuyển từ mức thấp lên mức cao. Đầu ra này đưa hồi tiếp về đầu vào NOR1, giữ cho đầu ra NOR1 ở mức thấp. Lúc này tụ bắt đầu nạp theo đường +EC -> C -> đất -> đất của EC, điện áp trên tụ tăng dần đến +EC, điện áp trên UB cũng tăng dần đến +EC. - Tại thời điểm t=t2 : UB=Ungưỡng của NOR2 làm NOR2 lật trạng thái, UR chuyển từ mức cao xuống mức thấp. Như vậy, ở đầu ra NOR2 đã tạo ra 1 xung trong khoảng thời gian t2-t1. Độ rộng của xung phụ thuộc vào giá trị của R, C: tx=RC. - Tại thời điểm t=t3, nhả khoá K: Đầu vào Q của NOR1 chuyển từ mức ‘1’ xuống mức ‘0’. UA có đột biến dương điện áp một lượng Ec. Qua tụ C thì UB có đột biến dương Ec. Khi đó điện áp ở cả hai đầu vào của NOR2 là: UB= Ec + Uđb = 2EC. Do đó, đầu vào NOR2 vẫn ở mức ‘1’, đầu ra NOR2 đưa hồi tiếp về NOR1 vẫn ở mức ‘0’. - Khi t >t3: Tụ C phóng qua điốt D, lúc này điốt D được phân cực thuận có Rthuận rất nhỏ. Đây là thời gian hồi phục của mạch vì khi tụ C phóng qua D thì điện áp UB giảm xuống mức UB=+EC. Sơ đồ thời gian như sau (xem trang sau) : t t t t EC UA EC EC 2EC EC Ung Q UB UR t1 t3 t1 t2 t3 t1 t2 2.3.3 Khối điều khiển mô tơ quay thuận nghịch: Chức năng: Khối này có nhiệm vụ cấp nguồn cấp dòng cho động cơ quay thuận, quay nghịch khi có các xung quay thuận, quay nghịch tương ứng kích thích. Yêu cầu kỹ thuật: Phải bảo đảm chiều quay và góc bước quay theo đúng yêu cầu khi có xung kích thích. Cấu tạo chung: Gồm hai phần là hai mạch khoá điều khiển đóng mở bởi tín hiệu xung kích quay thuận (nghịch). Đồng thời các khoá là các Transistor được mắc theo sơ đồ Darlington để khuyếch đại dòng tới mức yêu cầu của động cơ. - Dòng vào của mạch điều khiển quay thuận nghịch chính là dòng điện ra của mạch tạo xung quay thuận (nghịch). - Do dòng điện ra của các IC NOR rất nhỏ nên cần có mạch khuyếch đại dòng có hệ số khuyếch đại tuỳ theo yêu cầu của động cơ. - ở đây ta sử dụng mạch khuyếch đại Darlington để khuyếch đại dòng điện tới giá trị đủ lớn. Mặt khác đầu vào của mạch có hai mức điện áp 0V và +ECV, do đó phải dùng hai mạch khuyếch đại phối hợp với nhau. Hơn nữa, mạch có hai đầu vào điều khiển quay thuận / nghịch và mỗi đầu vào ta cần hai mạch khuyếch đại Darlington mắc đẩy kéo để có dòng điện ra đủ lớn. Sơ đồ nguyên lý như sau: Hoạt động của mạch: - Khi không có xung kích: Các đầu vào của mạch điều khiển quay thuận nghịch ở mức ‘0’ = = 0. Khi đó các Transistor , thông kéo theo , thông điện áp trên hai đầu Motor bằng nhau và xấp xỉ bằng EC. Do đó = 0: động cơ không quay - Khi một trong hai đầu vào điều khiển có xung điều khiển tương ứng ở mức ‘1’: (Giả thiết xung điều khiển quay thuận ở mức ‘1’). Khi đó = ECV làm cho , thông dẫn đến = 0V. Trong khi đó = 0V: , thông = EC. Vậy UMN = EC, động cơ quay thuận. Tương tự khi có xung điều khiển quay ngược = EC ; = 0V, ta có: = Ec, = 0V. Vậy UMN = ECV, động cơ quay nghịch. 2.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 3. Tính toán thông số linh kiện: 3.1. Mạch điều khiển quay thuận (nghịch): Sử dụng IC 4011 gồm 4 mạch NAND có cấu tạo như sau: IC MOS 4011 có các tham số: + VCC = +5V thì có mức ‘0’ là 0V, mức ‘1’ là 5V. + Điện trở vào rất lớn cỡ M + Điện dung vào CV = 1,5 – 5pF + Điện dung ra CR = 3pF – 7,5pF Hai điện trở R được chọn sao cho R << RV. Chọn R = 100K Sơ đồ chi tiết như sau: 3.2. Mạch tạo xung quay thuận (nghịch): Sử dụng IC 4001B gồm 4 cổng NOR 2 đầu vào có cấu trúc như sau: IC 4001B có các thông số như sau: + VCC = +5V thì mức lôgic ‘1’tương ứng với URA = 5V, mức lôgic ‘0’ tương ứng với URA = 0V + I RA = 1mA + CV = 1,5 á 5pF + RV cỡ vài chục MW + CR = 3 á 7,5pF + = 0,45 EC = 2,25V Như đã tính toán ở trên: Nếu = 0,45EC thì độ rộng xung đầu ra là: = RC Do yêu cầu thiết kế, độ rộng xung điều khiển quay thuận / ngược là: = = 3 ms/ lần Cho = -> RC = 3 ms Ta chọn như sau: C = 22nF (có sẵn) R = = 150 K Sơ đồ chi tiết như sau: 3.3. Mạch điều khiển động cơ quay thuận nghịch: Trước hết, ta thấy với các xung điều khiển mạch có vai trò như một bộ chuyển mạch. Các khoá của bộ chuyển mạch là Transistor đóng mở nhờ các xung điều khiển quay thuận hay quay ngược. Khi có xung mở, các Transistor làm việc ở chế độ bão hoà. Do đó ta phải chọn các nguồn nuôi các Transistor lớn hơn điện áp động cơ. Theo yêu cầu thiết kế thì = 3V và khi động cơ quay thuận có = 5V. Chọn nguồn EC = 5V Dòng điện yêu cầu của động cơ là =450 mA do đó phải chọn các Transistor ,,, có dòng IE lớn hơn 450mA. Hơn nữa, và ; và ghép đẩy kéo nên phải chọn và ; và sao cho cả hai Transistor có thể phu trợ nhau. Các đèn và ;và ; và ; và cũng cần phải chọn giống nhau vì chúng có cùng chức năng. Từ những nhận xét trên ta chọn các linh kiện như sau: + T1, T3 là loại đèn pnp A564 có b = 50. + T2, T4 là loại đèn npn C828 có b = 50. + T5, T7 là loại đèn pnp D468. + T6, T8 là loại đèn npn B562. Tiếp theo ta phải tính các giá trị . Do sự đối xứng của 2 kênh điều khiển ta có. R1=R3, R2=R4. Tính R1, R3: Vì hai Transistor và mắc theo kiểu Darlington nên có hệ số truyền đạt dòng là: =β2 Khi đầu vào = 0V; = 5V ta có : , , , thông. Dòng vào động cơ là dòng ra của tầng khuyếch đại Darlington: IE-T5=IĐC Mặt khác, IE-T5=βT5.IB-T5=βT5.IC-T1= βT5. βT1.IB-T1 Suy ra IB-T1== Mà IB-T1= -> R1===24 K Ta chọn R1=22 K Tương tự ta cũng tính được R3=22 K Tính R2 và R4: Khi UA=5V, UB=0V, các đèn T3, T7, T2, T6 thông, ta có: IE-T6=IĐC. Tương tự trên, ta có: Ta chọn R2=R4= 2 K. Sơ đồ chi tiết như sau: