Bài tập dài thiết kế hệ Vi xử lý 8 bit

Luận Văn: Bài tập dài thiết kế hệ Vi xử lý 8 bit

Bài tập dài Thiết kế hệ VXL 8 bit

Đề bài: Thiết kế hệ VXL điều khiển động cơ bớc (hai động cơ)I Yêu cầu:

Thiết kế hệ VXL :

+) Điều khiển chuyển động

+) Tạo thành một bộ điều khiển theo luật tỷ lệ (tích phân) II Nội dung:

1 Phân tích yêu cầu công nghệ(suy ra luật điều khiển)2 Thiết kế sơ đồ khối hệ VXL

3 Chọn phần tử4 Viết chơng trình5 Thử nghiệm

Động cơ bớc làm việc đợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đa các tínhiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số gócquay tơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nh chiều quay và tốc độ quay củaroto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi có một xungđiện áp đặt vào dây quấn stato (phần ứng) của động cơ bớc thì roto (phần cảm)của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bớc quay của động cơ.Khi các xung điện áp đặt vào phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục(nhng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bớc rời rạc).

Về cấu tạo có thể coi động cơ bớc là tổng hợp của hai loại động cơ: Độngcơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Xét vềcấu tạo, động cơ bớc có ba loại chính: Động cơ bớc có roto đợc kích thích (códây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu), động cơ bớc córoto không kích thích (động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng),động cơ bớc hỗn hợp (kết hợp cả hai loại trên).

Theo một phơng diện khác, có thể coi động cơ bớc là linh kiện (hay dụngcụ số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ đợc chuyển thành chuyểnđộng quay theo từng bớc Động cơ bớc sẽ thực thực hiện trung thành các lệnh đãsố hoá mà máy tính yêu cầu( hình 1).

Số xung bằng số buớc (3xung -3 buớc)

Một xung bằng một buớc

Hình 1 Mô hình số hoá động cơ buớc

II Nguyên lý hoạt động của động cơ bớc:

Khác với động cơ đồng bộ không thờng, roto của động cơ bớc không cócuộn dât khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó đợc khởi động bằng phơng pháptần số, roto của động cơ bớc có thể đợc kích thích (roto kích thích) hoặc khôngđợc kích thích (roto thụ động)

Hình sau vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bớc m pha với roto có hai cực(2p=2) và không đợc kích thích.

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ bớc m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bắng xung một cực.

Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (hình 3a)hoặc xung hai cực (hình 3b).

Ví dụ các cuộn dây của động cơ trên hình hai đợc cấp điện cho từng cuộndây riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3 m, bởi xung một cực, thì roto của động cơ có m vịtrí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 2).

Trong thực tế để tăng cờng lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từthông và mômen đồng bộ, ngời ta thờng cấp điện cho hai, ba hoặc nhiều cuộndây Lúc đó roto của động cơ bớc sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vectođiện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từthành phần của các cuộn dây stato (hình 2b và 2c).

Trên hình 2b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số

trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây Trên hình 2c vẽ lực điện từ tổng F khicung cấp điện đồng thời cho một số lẻ các cuộn dây (3 cuộn dây) Lực điện từtổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhng có trị số lớn hơn Trong cả haitrờng hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cho một số lẻ cuộn dây), rôtocủa động cơ bớc sẽ có m vị trí cân bằng Góc xê dịch giữa hai vi trí liên tiếp của

Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (vídụ kết hợp giữa hình 2b và 2c), có nghĩa là số lợng cuộn dây đợc điều khiểnluôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của

Trờng hợp này đợc gọi là điều khiển không xứng; hay điều khiển nửa bớc (HaftStep).

Nếu số lợng cuộn dây đợc điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵncuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b và 2c) thì roto có m vị trí cânbằng và đợc gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bớc (Full Step).

Động cơ bớc ngày càng đợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động,điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác Đặc biệt là các lĩnh vực: điều khiểnđọc ổ cứng, ổ mềm và các máy in trong hệ thống máy tính, điều khiển robốt,điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quangkhác phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, lập trìnhđiều khiển trong các hệ gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phơng vàchiều trong máy bay

Chơng II: thiết kế Hệ thống điều khiển động cơ bớc

I Các yêu cầu về điều khiển động cơ bớc:1 Các chế độ điều khiển:

Hình 2.1 Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bớc

1và 2 khi đợc cấp dòng điện đơn cực và vecto lực điện từ tổng F.Trên hình 2.1:

Từ công thức trên ta suy ra các trờng hợp sau:a Điều khiển cả bớc:

b Điều khiển nửa bớc:

1 cos  cos 222

c Điều khiển vi bớc:

2 Các đặc trng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bớc:

Đối với động cơ bớc, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp nhau Việc điều khiển động cơ bớc phụ thuộc vào các tham số sau của xung điềukhiển:

(liên quan đến chiều quay và mômen tải).

Tuỳ thuộc vào việc cấp xung, động cơ bớc có bốn trạng thái sau đây:a Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào đợc cấp điện:- Đối với động cơ phản kháng: roto sẽ quay trơn.

- Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: có mômen hãm,roto có xu hớng dừng ở các vị trí mà đờng khép từ thông giữa các cực của roto và stato là nhỏ nhất.

b.Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha đợc cấp điện một chiều Roto mang tải sẽ đợc giữ chặt ở vị trí góc bớc nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômengiữ.

c.Trạng thái dịch chuyển bớc: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bớc đang đợc giữ sang vị trí bớc tiếp theo khi các cuộn dây pha đợc cấp dòng phù hợp.

d.Trạng thái quay quá giới hạn: Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có

đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhng vẫn có thể tăng và giảm từ từ Muốndừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuông dới tốc độ giới hạn để hoạt động trong chế độ bớc.

Nh vậy động cơ bớc chỉ đợc coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và c 3 Điều khiển dòng điện I và điện áp U:

Có rất nhiều cách để điều khiển dòng điện và điện áp nh : điều khiển dòngáp bằng hệ số L/R, điều khiển dòng áp bằng độ rộng xung, điều khiển dòng ápbằng điện áp hai mức, điều khiển dòng áp bằng nguồn dòng.

Trong phạm vi bài tập lớn này ta sử dụng phơng pháp điều khiển dòng ápbằng nguồn dòng

Cuộn dây phaI const

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng nguồn dòng

Nguồn dòng là bộ phận nguồn luôn phát ra một suất ra một giá trị dòng

Ut = Iconst Rt

4 Điều khiển tốc độ quay của động cơ:

Động cơ bớc có thể quay với bất kỳ tấc độ nào trong giải từ 0 vòng/phútđến giá trị cực đại cho phép Vận tốc của động cơ bớc hiểu là vận tốc trung bình.Vận tốc trung bình động cơ bớc đợc tính:

tn

Việc thay đổi vận tốc động cơ bớc đợc thực hiện bằng cách thay đổi tầnsố dịch bớc f Tần số dịch bớc f trong trờng hợp tổng quát không đồng nhất vớicác xung điều khiẻn, mà nó là tổ hợp của sự biến đổi các trạng thái của các xungđiều khiển đó Vì vậy việc điều khiển các xung điều khiển này thờng đợc thựchiện bởi các bộ VXL.

(vòng/giây)

5 Điều khiển chiều quay của động cơ bớc:

Chẳng hạn roto ở vị trí bớc thứ n Nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sangvị trí thứ (n+1) thì động cơ quay phải và nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sangvị trí thứ (n-1) thì động cơ quay trái Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việcnày.

Đối với động cơ 4 pha, nếu cấp xung một cực thì cũng có 4 và 8 trạng tháicấp điện vào các cuộn dây cho hai trờng hợp điều khiển cả bớc và nửa bớc.

Ta có bảng trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha

Giả sử ta điều khiển ở các trạng thái 1,3,5,7

Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực bằng nguồn dòng cho động cơ 4 pha

lợng ngợc lại nguồn, dập xung ngợc khi các bóng bán dẫn ngắt mạch.

Mạch điều khiển gồm các phần sau:- Khối nguồn

- VXL

- Vi mạch nhớ - Khối vào/ra (I/O)- Khối khuyếch đại

1 Khối nguồn :

Hinh 2.5 Khối nguồn

Khối nguồn gồm có một IC 7805 , một tụ C1 = 3,3 F mắc ở ngõ vào vàmột tụ C2 = 1 F mắc ở ngõ ra nhằm mục đích ổn định, điện áp vào 6V cha ổnđịnh sau khi qua khối nguồn thành nguồn 5V ổn định, bằng phẳng ( loại bỏ hếtcác đột biến dơng ) ở ngõ ra để cung cấp cho mạch.

2 VXL :

a Chọn VXL:

Từ yêu cầu dùng VXL ta dự kiến dùng các chip vi điều khiển thuộc họMCS-51 của Intel, mà cụ thể ở đây là dùng chip 8051 là chip vi điều khiển Đặcđiểm của các chip vi điều khiển nói chung là nó đợc tích hợp với đầy đủ chứcnăng của một hệ VXL nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hớng điều khiển.Tức là trong nó bao gồm: mạch VXL, bộ nhớ chơng trình và dữ liệu, bộ đếm, bộtạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắt, giảm nhỏdòng tiêu thụ, tăng tốc độ làm việc hay tần số xung nhịp của CPU, giảm điệp ápnguồn nuôi, có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kếlớn, nó đợc hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềmdẻo trong vấn đề viết chơng trình phần mềm điều khiển và hiện đợc sử dụng phổbiến và đợc coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng Mặt khác, quaviệc khảo sát thị trờng linh kiện việc có đợc chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khảnăng thiết kế thực tế.

b Giới thiệu VXL 8051:

CPUInterrupt control

Other registers

*Alternate pin assignments for P1 and P3Address/data

port128 bytes

RAM

Timer 1 Timer 0

4K ROM

Hình 2.6 Sơ đồ khối của chip 8051

P3.6P3.4P3.7EA9 RST30

31ALE29 PSEN

A10A9A822P2.1P2.0 21P2.2 23A15A1326P2.6P2.425P2.7

2P1.5 65P1.7 8AD2AD038P0.1P0.0 39P0.2 37AD7AD534P0.6P0.5P0.4 35P0.7 3233

P0.3 36 AD3

13 P3.3P3.11110 P3.012 P3.2P3.6161415 P3.5

P3.417 P3.7

P2.3 24 A11P2.1 22 A921

26 A1425P2.4A12

P1.6 7

31EARST930 ALE

P1.22P1.0 1P1.1P1.44P1.3

P1.7P0.1 38

TXD* *Serial port Timer 1 Timer 0

3 Vi mạch nhớ:

Từ cấu trúc của vi điều khiển 8051 và yêu cầu thiết kế ta tiến hành phânchia các vùng nhớ nh sau:

 Bộ nhớ chơng trình 8K ROM chia làm hai vùng:

ROM trong (On-chip) có địa chỉ vật lý: 0000H  0FFFH.

 Bộ nhớ dữ liệu đợc mở rộng thêm 32K RAM ngoài gồm 4 thanh RAM8K có địa chỉ vật lý: 2000H  9FFFH.

4.Khối vào ra (I/O) :

Mạch ghép nối vào/ ra sử dụng IC 8255 với địa chỉ của từng cấu hình nhsau:

Địa chỉ cổng PA: A000HĐịa chỉ cổng PB: A001HĐịa chỉ cổng PC: A002H

Địa chỉ của từ điều khiển PSW: A003H

5.Khối khuếch đại:

Ta sử dụng transistor ghép quang 4N33 để khuếch đại dòng (công suất).Tín hiệu từ các port I/O đợc đa đến các chân của các khối khuếch đại nh hình vẽ.

R+5V

Trong bài toán này ta điều chỉnh động cơ bớc chạy tiến và lùi với vận tốc

LJMP T1ISR ORG 0030H LJMP RUN ORG 00CDH

LOOP: MOV TMOD,#12H; BO DINH THOI 1; CHE DO 1 SETB TF1; BUOC NGAT DO BO DINH THOI 1

MOV IE,8AH;CHO PHEP NGAT DO CAC BO DINH THOI

CLR TR1

MOV TH1,#25; THOI GIAN MUC CAO LA 0,25MS MOV TL1,#75; THOI GIAN MUC THAP la 0.75MS SETB TR1

RUN: MOV R3,#1 PUSH A

PUSH 2 PUSH DPL PUSH DPH PUSH PSW

MOV R2,B CJNE R3,#0,TIEN CJNE R2,#0,LUI MOV R2,#3

MOV B,R2 MOV A,R2

MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR SJMP ENDRUN SJMP LOOPLUI:

DEC R2 MOV B,R2 MOV A,R2

MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR SJMP ENDRUNTIEN:

CJNE R2,#3,CONTTROL MOV R2,#0

MOV B,R2 MOV A,R2

MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR SJMP ENDRUNCONTTROL:

INC R2

MOV B,R2 MOV A,R2

MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTRENDRUN:

MOV P0,A POP PSW POP DPH POP DPL POP 2 POP A

LJMP BATDAU

DB 10001000B DB 01000100B DB 00100010B DB 00010001B

Ch¬ngII ThiÕt kÕ ®iÒu khiÓn §CB -5

I C¸c yªu cÇu vÒ ®iÒu khiÓn §CB -5

Tài liệu tham khảo1 Họ vi điều khiển 8051

Nhà xuất bản lao động xã hội

2 Động cơ bớc kỹ thuật điều khiển và ứng dụng

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật3 Điện tử công suất

Nguyễn Bính