Báo cáo điều khiển tốc độ đọng cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN TỬ ****    **** BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH Đề tài : 14 Thi t k b đi u khi n đ ng c đi n ết kế bộ điều khiển động cơ điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

****    ****

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH

Đề tài : 14 Thi t k b đi u khi n đ ng c đi n ết kế bộ điều khiển động cơ điện ết kế bộ điều khiển động cơ điện ộ điều khiển động cơ điện ều khiển động cơ điện ển động cơ điện ộ điều khiển động cơ điện ơ điện ện m t ộ điều khiển động cơ điện

chi u s d ng c ng n i ti p ều khiển động cơ điện ử dụng cổng nối tiếp ụng cổng nối tiếp ổng nối tiếp ối tiếp ết kế bộ điều khiển động cơ điện

Giáo viên: VŨ THỊ THU HƯƠNG

Sinh viên thực hiện: Lê Đình Thảo Nguyễn Đăng Trang

a Cấu tạo máy điện một chiều

b Nguyên lý hoạt động động cơ một chiều

Lời nói đầu

Trong các ngành công nghiệp ,công tác điều khiển vận hành các thiết bị theo một quy trình nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất ,nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất giữ một vị trí quan trọng.

Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng , độ ổn định tốc độ cao nên động cơ một chiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một số máy như máy nghiền ,máy nâng vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển các robot…

Để điều khiển tốc độ của động cơ một chiều thì có rất nhiều phương pháp,trong đồ án của mình chúng em xin trình bày điều khiển động

cơ dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM.Trong đồ án của mình chúng em chúng em 89S52 để lập trinhd điều khiển động cơ một chiều DC 24V

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử đã giúp đỡ chúng em trong quá trình làm bài tập lơn và cô Vũ thị Thu Hương đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em làm bài tập lớn.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm, chưa có kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều khiếm khuyết trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình mong các thầy góp ý và bổ sung thêm.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

A LÍ THUYẾT

I) giới thiệu về vi điều khiển 8051

a Sơ lược 8051

8051 ra đời năm 1981 do hãng Intel sản xuất

Họ điều khiển này có 128 byte RAM,4kbyte ROM,hai bộ đnh thời ,một cổng nối tiếp và 4 cổng ra\vào song song và là 1 bộ vi xử lý 8 bit

Sau khi Intel cho các nhà sản xuất khác sản xuất và bán các dạng biến thể của 8051 thì họ 8051càng ngày càng phổ biến và ngày càng có nhiều phiên bản khác nhau của 8051 nhưng tất cả đều tương thích với 8051 ban đầu

Sau đây là bảng so sánh các họ khác nhau:

Chức năng các chân của

họ 8051

1 Po

rt 0 (P0.0 _ P0.7)

Port 0 gồm 8 chân

Với chức năng xuất nhập dữ liệu ,ngoài ra Port 0 còn là bus đa hợp dữ liện và địa chỉ(AD0_AD7).Port 0 cũng nhận các byte mã khi lập trình Flas và xuất các byte mã khi kiểm tra chương trình Chú y trong

trường hợp này cần có thêm điện trở trước khi nối vào chân Port 0

Số hiệu sản

xuất

Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ dữ liệu

Số bộ định thời (bộ đếm) 8031

8K ROM 8K EPROM 8K FLASH

4 Port 3

Cũng là port xuất nhập dữ liệu 8 bit ,ngoài ra port 3 còn có các chức năng khác cụ thể như sau:

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho Port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho Port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của timer/counter0

P3.5 T1 Ngõ vào của timer/counter1

P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

5 RST

Khi tín hiệu vào chân này được đưa lên mức cao ( trong ít 2 chu

kỳ),các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải lên nhưng giá trị thích hợp để khởi động hệ thống

6 Chân /PSEN

PSEN(program store enable) là chân đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh.Khi thực hiệnchương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức caoChân này được kíchhoạt 2 lần mỗi chu kỳ máy và hai hoạt đông này sẽ được bỏ qua khi truy cập bộ nhớ ngoài

7 Chân ALE

ALE(address latch enable) là một xung ngõ ra để chốt byte thấp của địa chỉ trong khi truy cập bộ nhớ ngoài Đây cũng là chân truy cập xung lập trình khyi lập trình Flash.Bình thường khi hoạt động chân ALE sẽ được phát với một tỷ lệ không đổi 1/6 tần số dao đông của vi điều khiển Tuy nhiên chân này cũng sẽ bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ ngoài

10 Vcc và GND

Đây là 2 chân dùng để cấp nguồn cho IC,dải điện áp thích hợp là

4-5V.Với Vcc nối với dương nguồn ,GND nối với âm nguồn

b, Sơ lược về Vi điều khiển AT89S52.

1) Cấu tạo.

AT89S52 là Vi Điều Khiển có 8 Kbyte ROM, 253 byte RAM, 3 bộđịnh thời, 1 cổng nối tiếp, 6 nguồn ngắt, bộ nạp ISP tích hợp và 32 chânvào ra Dạng phổ biến của AT89S52 là đóng gói sạng DIP 40 chân Dưới

đây là sơ đồ khối và chức năng của AT89S52.

Hình 1: Sơ đồ khối của AT89S52

Sơ đồ chân và chức năng các chân của AT89S52 như sau:

Hình 2: Sơ đồ chân của AT89S52

 VCC (chân 40): Chân cấp nguồn.

 GND (chân 20: Chân nối đất.

 Port 0 (chân 32 ÷ 39): Port 0 là một port xuất/nhập song 8 bit.

Ngoài ra, Port 0 có thể được định cấu hình để hợp kênh giữa bus địa chỉ

và bus dữ liệu (phần byte thấp) khi truy cập đến bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớchương trình ngoài Ở chế độ này, P0 có các điện trở pullup bên trong.Khi xuất dữ liệu, P0 cần có các điện trở pullup

 Port 1 (chân 1 ÷ 8): Port 1 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit

có các điện trở pullup bên trong Port 1 có thể xuất nhập theo bit hoặctheo byte Ba chân P1.5 P1.6 P1.7 dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP.Còn chân P1.0 và P1.1 dùng cho bộ Timer 2

 Port 2 (chân 21 ÷28: Port 2 là một port xuất/nhập song hướng 8 bit

có các điện trở pullup bên trong Đồng thời, P2 còn là byte cao của busđịa chỉ khi sử dụng bộ nhớ ngoài

 Port 3 (chân 10 ÷17): Port 3 là một port xuất/nhập song hướng 8

bit có điện trở pullup nội bên trong Ngoài chức năng xuất nhập, các châncủa P3 còn có các chức năng đặc trưng đặc biệt như được liệt kê dướiđây:

Bảng 1: Các chức năng chuyển đổi trên Port 3

P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7

RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD

Port nhập tiếp nốiPort xuất tiếp nốtNgắt không bên ngoàiNgắt một bên ngoàiNgõ vào Timer/Counter 0Ngõ vào Timer/Counter 1Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoàiXung đọc bộ nhớ dữ liệu ngòai

 RST (chân 9): Ngõ vào reset Một mức cao trên chân này khoảng

hai chu kỳ máy trong khi bộ dao động đang chạy sẽ reset thiết bị

 ALE/PROG: ALE là tín hiệu điều khiển chốt địa chỉ có tần số bằng

1/6 tần số dao động của vi điều khiển Tín hiệu ALE được dùng để chophép mạch chốt bên ngoài chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địachỉ/ dữ liệu (P0)

 PSEN (Program Store Enable): là chân điều khiển đọc chương trình

ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân OE của ROM ngoài PSEN ở mứcthấp khi đọc mã lệnh Dữ liệu đọc vào qua cổng P0, khi thực hiện chươngtrình trong ROM nội, thì PSEN ở mức cao

 EA/Vpp: EA (External Access Enable) là tín hiệu cho phép chọn bộ

nhớ là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển Nếu ở mức cao (nối Vcc) thì

vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội Nếu ở mức thấp (nốiGND) thì vi điều khiển thi hành chương trình ở bộ nhớ ngoài

 XTAL1 và XTAL2 (chân 18 và 19): AT89S52 có một bộ dao động

trên chip Nó thường được nối với bộ dao động thạch anh có tần số lớnnhất là 33MHz, hoặc 12MHz

2) Kiểu dữ liệu và hàm sử dụng trong bản thiết kế.

 Kiểu dữ liệu.

 Unsigned int: là kiểu số nguyên 16 bit với khoảng giá trị từ 0 ÷65535.

 Long int: kiểu số nguyên 32 bit với khoảng giá trị từ 0 ÷

±2.147483648 *109

 Unsigned char: có độ dài 8 bit với khoảng giá trị từ 0 ÷ 255

 Kiểu mảng: là kiểu dữ liệu gồm nhiều phần tử có cùng kiểu và phânbiệt với nhau bằng chỉ số

 If(điều kiện) lệnh 1 else lệnh 2: khi điều kiện đúng lệnh 1 đượcthực hiện, nếu điều kiện sai thì thực hiện lệnh 2

Để sử dụng cả 2 ngắt trên thì trên thanh IE (8 bit) có những bit sau là 1:bit IE.7 (EA), bit IE.1 (ET0), bit IE.2 (EX1) Như vậy, thanh ghi IE cầngán giá trị là 0x86

Để thiết lập cho ngắt nào được ưu tiên, ta gán giá trị cho thanh ghi

ưu tiên ngắt IP theo ngắt muốn ưu tiên hoặc để 0x00 để cho các ngắt có

ưu tiên như nhau Ví dụ ta cho ngắt ngoài 1 là ngắt được ưu tiên Khi đó,

thanh ghi IP (8bit) sẽ chỉ có 1 bit có giá trị là 1 và bit đó tương ứng vớingắt ngoài 1 là bit IP.2 (PX1).

Để sử dụng Timer nói chung và Timer 0 nói riêng thì trước khi sửdụng chúng ta cần khai báo Timer ở thanh ghi chế độ định thời TMOD.TMOD là thanh ghi 8 bit, 4 bit thấp dùng cho khai báo Timer 0 Bit 3(GATE 0) bằng 1 thì Timer 0 chỉ chạy khi INT 0 ở mức cao và bằng 1 thìTimer 0 chạy mà không quan tâm đến INT0 Bit 2 (C/T0) bằng 0 thìTimer 0 hoạt động theo kiểu định khoảng thời gian còn nếu bằng 1 thìhoạt động theo kiểu đếm sự kiện Hai bit còn lại là bit 1 và bit 0 (M1 vàM0) dùng để chọn chế độ hoạt động của Timer 0 là chế độ 13 bit (chế độ0) hoặc 16 bit (chế độ 1) hay 8 bit tự nạp lại (chế độ 2) hay tách Timer(chế độ 3) Ví dụ ta cho Timer 0 chỉ định khoảng thời gian khi INT ở mứccao và đếm tới 10.000 (chế độ 16 bit) thì TMOD cần gán giá trị là 0x09

II _ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU _

a Cấu tạo máy điện một chiều

Sau đây là một số sơ đồ của máy điện 1 chiều:

Sơ đồ của một máy điện 1 chiều với bộ phận kích từ song song

Cấu tạo chổi than

Máy điện một chiều cơ bản gồm 2 phần mạch điện : mạch kích từ và mạch phần ứng

Mạch kích từ hay còn hay gọi là stator gồm phần tĩnh là cuộn dây quấn quanh các cực từ của stator

Số cực từ là chẵn chúng sắp xếp xen kẽ theo cực tính nam-bắc.Cuộn kích từ ,dòng điện cũng như thông lương của các cực từ la như nhau Các cuộn dây kích từ nối tiếp với nhau

Dòng điện cung cấp cho cuộn kích từ nhằm tạo ra từ thông trong đông cơ

Mạch kích từ không phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trongđộng cơ

Mạch phần ứng là mạch tiêu thụ công suất chính trong động cơ và nó nằm trên phần roto.Các cuộn của dây của phần ứng đặt trong đặt trongcác rảnh phân bố trên bề mặt của roto,độ rộng của một cuộn dây gọi

là bước cuộn Các cuộn dây trên phần mạch ứng nối với nhau thành một mạch kín ,kết thúc của cuộn này sẽ là bắt đầu của cuộn tiếp theo

và kết thúc của cuộn cuối cùng sẽ là bắt đầu của cuộn đầu tiên,dòng một chiều đưa vào hay lấy ra từ dây cuốn phần ứng thông qua các chổi than tỳ lên cổ góp Cổ góp là một kết cấu hình trụ trên bề mặt có nhiều phiến góp ,số phiến góp bằng số cuộn dây và chúng được cách điện với nhau bằng mica

b,Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều

Khi đặt vào trong từ trường một giây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lựcvào dòng điện và làm dây

dẫn chuyển động Chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.Đây chính là nguyên lý làm việc của động cơ nói chung

Về động cơ một chiều :

Từ trường trong động cơ tạo ra từ các cuộn dây gọi là cuộn cảm hay cuộn kích từ Do stator của động cơ có đặt các cuộn cảm nên thường gọi là phần cảm Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một lực vào các dây dẫn rotor đặt trong các rảnh của rotor khi có dòng điện chạy qua Cuộn dây này gọi là cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứngqua các chổi than và cổ góp.Phần rotor mang phần ứng nên gọi là phầnứng

Giả sử các dây dẫn cuộn ứng nữa trên của rotorcos dòng điện hướng vào còn các dây dẫn của cuộn ứng ở nửa dưới rotor có dòng điện hướng ra như hình vẽ.Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra một mômen làm rotorquay ngược chiều kim đồng hồ

Từ trường trong động cơ một chiều:

Khi động cơ làm việc cuộn cảm tạo ra một từ trường Φd dọc trục cực từ và phân bố đối xứng với cực từ Mặt phẳng 00’ trên đó có đặt chổi than ,vừa là mặt phẳng trung tính hình học và cũng là mặt phẳng trung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra một

từ trường riêng Φn hướng ngang trục cực từ.Từ trường tổng trong động cơ mất đi tính đối xứng dọc trục và khi này mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc β( ngược chiều quay của rotor )so với mặt phẳng trung tính hình học

Dòng điện cuộn ứng càng lớn thì Фn càng mạnh đồng thời góc quay

trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại

vi với máy tính.Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị , chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc

độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền

Có hia phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi làtên ngẵn gọn là chuẩn RS232

Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng Com Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị

đo lường Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đờimáy và main của máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ

và tốc độ truyền dữ liệu thấp

2) Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232

+ Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

+ Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

+ Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua côngnối tiếp

3) Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232

+ Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là 12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm

+ Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

+ Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm+ Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không sử model

+ Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn :

50,75,110,750,300,600,1200,2400,4800,9600,19200,28800,38400 56600,115200 bps

4) Các mức điện áp đường truyền

RS 232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Do đó ngay từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vấn sử dụng các

mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào buscủa bộ phận và các trở kháng ra của bộ phát.

Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được

mô tả như sau:

+ Mức logic 0 : +3V , +12V

+ Mức logic 1 : -12V, -3V

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến.Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd 5) Cổng RS232 trên PC

Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là 1 cổngCom hay cổng nối tiếp RS232 Số lượng cổng Com có thể lên tới 4 tùy từng loại main máy tính Khi đó các cổng Com đó được đánh dấu là Com

1, Com 2, Com 3 Trên đó có 2 loại đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chân (DB9) hoặc 25 chân (DB25) Tuy hai loại đầu nối này có cùng song song nhưng hai loại đầu nối này được phân biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cái (DB25)

Ta xét sơ đồ chân cổng Com 9 chân

Trên là các kí hiệu chân và hình dạng của cổng DB9

Chức năng của các chân như sau:

+ chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu

+ chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu