CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 Bộ vi điều khiển 89C51: Bắt đầu xuất vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, có tới hàng trăm biến thể (derrivatives) sản xuất 20 hãng khác nhau, phải kể đến đại gia làng bán dẫn (Semiconductor) ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, biến thể hãng ATMEL AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… có thời gian xuất thị trường lâu nói sử dụng rộng rãi loại vi điều khiển bit Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát cấu trúc AT89  Ngắt( interrupt): 8051 có số lượng nguồn ngắt (interrupt source) gọi nguyên nhân ngắt Mỗi ngắt có vector ngắt riêng, địa cố định nằm nhớ chương trình, ngắt xảy ra, CPU tự động nhảy đến thực lệnh nằm địa Với 8052, ngồi ngắt cịn có thêm ngắt timer2 (do vi điều khiểnnày có thêm timer2 số ngoại vi onchip) Mỗi ngắt dành cho vector ngắt kéo dài 8byte Về mặt lý thuyết, chương trình đủ ngắn, mã tạo chứa đủ byte, người lập trình hồn tồn đặt phần chương trình xử lý ngắt vector ngắt Tuy nhiên hầu hết trường hợp, chương trình xử lý ngắt có dung lượng mã tạo lớn 8byte nên vector ngắt, ta đặt lệnh nhảy tới chương trình xử lý ngắt nằm vùng nhớ khác Nếu không làm vậy, mã chương trình xử lý ngắt lấn sang, đè vào vector ngắt kế cận Bảng tóm tắt ngắt 8051 sau: Bảng 1.1: Các cấu trúc ngắt 8051 Bảng 1.2: Thanh ghi IE 8051 Để cho phép ngắt, bit tương ứng với ngắt bit EA phải đặt Thanh ghi IE ghi đánh địa bit, dùng lệnh tác động bit để tác động riêng rẽ lên bit mà không làm ảnh hưởng đến giá trị bit khác Cờ ngắt hoạt động độc lập với việc cho phép ngắt, điều có nghĩa cờ ngắt tự động đặt lên có kiện gây ngắt xảy ra, kiện có cho phép ngắt hay không Do vậy, trước cho phép ngắt, ta nên xóa cờ ngắt để đảm bảo sau cho phép, kiện gây ngắt q khứ khơng thể gây ngắt 8051 có ngắt INT0 INT1 Ngắt hiểu ngắt gây kiện mức logic (mức điện áp thấp, gần 0V) sườn xuống (sự chuyển mức điện áp từ mức cao mức thấp) xảy chân ngắt tương ứng (P3.2 với ngắt P3.3 với ngắt 1) Việc lựa chọn kiểu ngắt thực bit IT (Interrupt Type) nằm ghi TCON Đây ghi điều khiển timer bit LSB (bit 3) dùng cho ngắt Khi bit ITx = ngắt ngồi tương ứng chọn kiểu ngắt theo sườn xuống, ngược lại bit ITx = ngắt ngồi tương ứng có kiểu ngắt ngắt theo mức thấp Các bit IE bit cờ ngắt ngồi, có tác dụng trường hợp kiểu ngắt chọn ngắt theo sườn xuống Khi kiểu ngắt theo sườn xuống chọn ngắt xảy lần có sườn xuống tín hiệu, sau tín hiệu mức thấp, có sườn lên, mức cao khơng có ngắt xảy có sườn xuống Cờ ngắt IE dựng lên có sườn xuống tự động bị xóa CPU bắt đầu xử lý ngắt Khi kiểu ngắt theo mức thấp chọn ngắt xảy tín hiệu chân ngắt mức thấp Nếu sau xử lý xong ngắt mà tín hiệu mức thấp lại ngắt tiếp, xử lý xong ngắt lần thứ n , tín hiệu lên mức cao thơi khơng ngắt Cờ ngắt IE trường hợp khơng có ý nghĩa cả.Thơng thường kiểu ngắt hay chọn ngắt theo sườn xuống  Bộ định thời/Bộ đếm (Timer/Counter): 8051 có timer tên timer0 timer1 Các timer timer 16bit, giá trị đếm max 216 = 65536 (đếm từ đến 65535) Hai timer có ngun lý hoạt động hồn toàn giống độc lập Sau cho phép chạy, có thêm xung đầu vào đếm, giá trị timer tự động tăng lên đơn vị, giá trị tăng lên vượt giá trị max mà ghi đếm biểu diễn giá trị đếm lại đưa trở giá trị (thông thường = 0) Sự kiện hiểu kiện tràn timer (overflow) gây ngắt ngắt tràn timer cho phép (bit ETx ghi IE = 1) Việc cho timer chạy/dừng thực bit TR ghi TCON (đánh địa đến bit) Bảng 1.3: Thanh ghi TCON Khi bit TRx = 1, timerx đếm, ngược lại TRx = 0, timerx không đếm có xung đưa vào Khi dừng khơng đếm, giá trị timer giữ nguyên Các bit TFx cờ báo tràn timer, kiện tràn timer xảy ra, cờ tự động đặt lên ngắt tràn timer cho phép, ngắt xảy Khi CPU xử lý ngắt tràn timerx, cờ ngắt TFx tương ứng tự động xóa Giá trị đếm 16bit timerx lưu hai ghi THx (byte cao) TLx (byte thấp) Hai ghi ghi/đọc lúc Tuy nhiên nhà sản xuất khuyến cáo nên dừng timer (cho bit TRx = 0) trước ghi/đọc ghi chứa giá trị đếm Các timer hoạt động theo nhiều chế độ, quy định bittrong ghi TMOD (không đánh địa đến bit) Để xác định thời gian, người ta chọn nguồn xung nhịp (clock) đưa vào đếm timer xung nhịp bên (dành cho CPU) Nguồn xung nhịp thường đặn (có tần số ổn định), từ số đếm timer người ta nhân với chu kỳ xung nhịp để tính thời gian trơi qua Timer lúc gọi xác với tên “timer”, tức định thời Để đếm kiện bên ngoài, người ta chọn nguồn xung nhịp đưa vào đếm timer tín hiệu từ bên ngồi (đã chuẩn hóa dạng xung vng (0V/5V) Các tín hiệu nối với bit cổng có dồn kênh thêm tính T0/T1/T2 Khi có kiện bên gây thay đổi mức xung đầu vào đếm, timer tự động tăng lên đơn vị giống trường hợp đếm xung nhịp bên Lúc này, timer gọi xác với tên khác: “counter”, tức đếm (sự kiện) Nhìn vào bảng mơ tả ghi TMOD bên trên, ta nhận thấy có bit giống (gồm GATEx, C/Tx, Mx0 Mx1) dành cho timer0 Ý nghĩa bit timer Bit GATEx quy định việc cho phép timer đếm (run timer) Nếu GATEx =0, timerx đếm bit TRx 1, dừng bit TRx Nếu GATEx = 1, timerx đếm bit TRx = tín hiệu chân INTx = 1, dừng hai điều kiện khơng cịn thỏa mãn Thơng thường người ta dùng timer với GATE = 0, dùng timer với GATE = trường hợp muốn đo độ rộng xung lúc timer đếm thời gian xung đưa vào chân INTx mức cao Bit C/Tx quy định nguồn clock đưa vào đếm timer Nếu C/Tx = 0, timer cấu hình định thời, C/Tx = 1, timer cấu hình đếm kiện Hai bit lại (Mx0 Mx1) tạo tổ hợp giá trị (00,01,10 11) ứng với chế độ hoạt động khác timerx Trong chế độ thường dùng chế độ timer/counter 16bit (Mx1 = 0, Mx0 = 1) chế độ Auto Reload 8bit timer/counter (Mx1 = 1, Mx0 = 0).Trong chế độ timer/counter 16bit, giá trị đếm (chứa hai ghi THx TLx) tự động tăng lên đơn vị lần nhận thêm xung nhịp Khi giá trị đếm tăng vượt giá trị max =65535 tràn 0, cờ ngắt TFx tự động đặt = Chế độ dùng ứng dụng đếm thời gian đếm kiện Trong chế độ Auto Reload 8bit, giá trị đếm chứa ghi TLx, giá trị ghi THx số n (từ đến 255) người lập trình đưa vào Khi có thêm xung nhịp, giá trị đếm TLx đương nhiên tăng lên đơn vị bình thường Tuy nhiên trường hợp này, giá trị đếm lớn 255 khơng phải 65535 trường hợp timer/counter 8bit Do kiện tràn lúc xảy nhanh hơn, cần vượt 255 giá trị đếm tràn Cờ ngắt TFx tự động đặt = trường hợp tràn 16bit Điểm khác biệt thay tràn 0, giá trị THx tự động nạp lại (Auto Reload) vào ghi TLx, timer/counter sau tràn có giá trị n (giá trị chứa THx) đếm từ giá trị n trở Chế độ dùng việc tạo Baud rate cho truyền thông qua cổng nối tiếp Để sử dụng timer 8051, thực bước sau: - Quy định chế độ hoạt động cho timer cách tính tốn ghi giá trị cho bit ghi TMOD - Ghi giá trị đếm khởi đầu mong muốn vào ghi đếm THx TLx Đôi ta không muốn timer/counter bắt đầu đếm từ mà từ giá trị để thời điểm tràn gần hơn, chẵn tính tốn sau Ví dụ cho timer đếm từ 15535 sau 50000 xung nhịp (tức 50000 micro giây với thạch anh 12MHz) timer tràn, thời gian giây dễ dàng tính xác = 20 lần tràn timer (đương nhiên lần tràn lại phải nạp lại giá trị (15535) - Đặt mức ưu tiên ngắt cho phép ngắt tràn timer (nếu muốn) - Dùng bit TRx ghi TCON timer chạy hay dừng theo ý muốn 1.2 IC photocoupler 6N137: Photocoupler loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm led photo diode cổng logic nand Được sử dụng để cách ly khối chênh lệch điện hay cơng suất khối cơng suất nhỏ (dịng nhỏ, điện áp 5V) với khối điện áp lớn dòng lớn áp lớn Hình 1.2: Hình vẽ-sơ đồ chân bảng chân trị IC optocoupler (loại 6N317) Nguyên lý hoạt động optocoupler: cung cấp 5V vào chân số 2, LED phía Opto nối chân số sáng, xảy hiệu ứng quang điện dẫn đến chân thông nguồn vào cổng nand, mức logic ngõ chân tùy thuộc vào tín hiệu so sánh chân xác định theo bảng chân trị 1.3 IC L7805: 78xx loại linh kiện dùng để biến đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp tùy thuộc vào đặc điểm loại họ 78 - L7805 loại linh kiện dùng để tạo điện áp 5V H ì n h 1.4: S đ c h â n c ủ a I C x x Sơ đồ chân 7805: chân chân điện áp vào(V in), chân (chân mass GND), chân 3( chân điện áp V out) Hình 1.3: Hình vẽ thực tế 78xx 1.4 IC IR2101: - Chịu dòng điện âm dV/dt - Dải cấp cho cổng điều khiển từ 10V-20V - Khóa điện áp thấp - 3,3V, 5V 15V đầu vào cổng logic tương ứng - Trễ lan truyền hai kênh Hình 1.5: Sơ đồ chân IC IR2101 10 Hình 1.6: Cấu trúc bên IC IR2101 Bảng 1.4: Các đặc tính điện động IC IR2101 11 1.6 Động chiều :  Khái niệm: Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, đặt vào từ trường dây dẫn cho dịng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) làm dây dẫn chuyển động Động điện biến đổi điện thành  Ưu điểm động chiều: Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao Ngày hiệu suất động điện chiều công suất nhỏ khoảng 75% - 85%, động điện công suất trung bình lớn khoảng 85% - 94% Cơng suất lớn động điện chiều vào khoảng 100000kw điện áp vào khoảng vài trăm 1000v Hướng phát triển cải tiến tính nâng vật liệu, nâng cao tiêu kinh tế động chế tạo máy cơng suất lớn vấn đề rộng lớn phức tạp với vốn kiến thức cịn hạn hẹp phạm vi đề tài em khơng thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà đề cập tới vấn đề thiết kế điều chỉnh tốc độ có đảo chiều động chiều kích từ độc lập Phương pháp chọn băm xung chưa phương pháp mang lại hiệu kinh tế cao sử dụng rộng rãi tính đặc điểm mà ta phân tích đề cập sau  Cấu tạo động điện chiều: Động điện chiều phân thành hai phần chính: phần tĩnh (stato) phần động (roto) - phần tĩnh hay stato: Hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường Gồm có mạch từ dây kích thích lồng ngồi mạch từ( động kích từ nam châm điện) 16 Mạch từ làm sắt từ (thép đúc, thép đặc ) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ Các cuộn dây điện từ nối tiếp với - Phần quay hay roto: Là phần sinh suất điện động Gồm có mạch từ làm vật liệu sắt từ( thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng( làm dây điện từ ) Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối với theo qui luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp Các phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp - Các phận khác: + Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với + Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông + Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy 17 + Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy cịn có tác dụng làm giá đỡ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lị xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ Sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại  Ngun lý làm việc động điện chiều: Động điện phải có hai nguồn lượng - Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh từ thơng kích từ - Nguồn phần ứng đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp phần ứng Khi cho điện áp chiều vào hai chổi điện dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dịng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm roto quay Chiều lực xác định qui tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vịng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có nhiều phiến góp, dịng điện giữ ngun làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi roto quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động Eư, chiều suất điện động xác định theo qui tắc bàn tay phải, động chiếu suất điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động Phương trình cân điện áp : U = Eư + Rư.Iư +Iư di dt  Đặc tính động điện chiều: Đặc tính động điện chiều quan hệ tốc độ quay mômen quay động cơ: ω = f(M) n = f(M) Trong : ω - tốc độ góc(rad/s) n – tốc độ quay (v/ph) 18 M – momen(Nm) 19  Phân loại: Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ động Theo ứng với cách ta có loại động điện loại: Có loại động điện chiều thường sử dụng: - Động điện chiều kích từ độc lập - Động điện chiều kích từ song song - Động điện chiều kích từ nối tiếp - Động điện chiều kích từ hỗn hợp -Kích thích độc lập: Khi nguồn chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập nên : I = Iư - Kích thích song song: Khi nguồn chiều có cơng suất vơ lớn điện áp ko đổi, mạch kích từ mắc song song với mạch phần ứng nên I = Iư +It - Kích thích nối tiếp: Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vịng ít, chế tạo dễ dàng nên ta có: I = Iư =It - Kích thích hỗn hợp: Ta có: I = Iư +It Với loại động trênlà tương ứng với đặc tính, đặc điểm kỹ thuật điều khiển ứng dụng tương đối khác phụ thuộc vào nhiều nhân tố, đề tài ta xét đên động điện chiều kích từ độc lập biện pháp hữu hiệu để điều khiển loại động 20 1.7 Lý thuyết điều chế độ rộng xung PWM:  Khái niệm: Trước tìm hiểu sâu tìm hiểu định nghĩa PWM gì? Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh Pulse Width Modulation phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đếm thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm Hình 1.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM - Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM 21 ... P-N c? ?ch ? ?i? ??n lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P n? ?i thành c? ? ?c D c? ? ?c S, bán dẫn N n? ?i v? ?i lớp màng mỏng sau dấu thành c? ? ?c G Mosfet c? ? ? ?i? ??n trở c? ? ?c G v? ?i c? ? ?c S c? ? ?c G v? ?i c? ? ?c D vơ lớn , c? ??n ? ?i? ??n trở c? ? ?c. .. kh? ?i tẩm s? ?n c? ?ch ? ?i? ??n trư? ?c đặt c? ? ?c từ C? ?c cuộn dây kích từ đặt c? ? ?c từ n? ?i tiếp v? ?i + C? ? ?c từ phụ: C? ? ?c từ phụ đặt c? ? ?c từ dùng để c? ? ?i thiện đ? ?i chiều L? ?i thép c? ? ?c từ phụ thường làm thép kh? ?i thân... 1.5: S? ? đồ chân IC IR2101 10 Hình 1.6: C? ??u tr? ?c bên IC IR2101 Bảng 1.4: C? ?c đ? ?c tính ? ?i? ??n động IC IR2101 11 Bảng 1.5: C? ?c đ? ?c tính ? ?i? ??n tĩnh IC IR2101 Bảng 1.6: Chú thích chân linh kiện IC IR2101