Đồ án kỹ thuật_điều khiển tốc độ động cơ

Đồ án kỹ thuật_điều khiển tốc độ động cơ

đại học bách khoa hà nội khoa điện tử - viễn thông THIếT Kế LOGIC MạCH Số Đề Tài: Đo tốc độ động điện có tốc độ 1000vòng/phút với sai số 1% có thị chiều quay động Nhóm thực hiện: Hà Mạnh C-ờng Nguyễn Phú Dũng Lớp: ĐTVT1-K44 Giáo viên h-ớng dẵn: TS Nguyễn Nam Qu©n MơC LơC TRang I Ii iii më đầu nhiệm vụ lý thuyết thực Sơ đô khối mạch đô tốc độ Sơ đồ khối mạch hiển thị chiều quay a phần 1: đo tốc độ động Khối chuyển vòng quay sang xung điện Khối khuyếch đại tạo dạng tín hiệu Khối cổng Khối xung mở cổng, xoá reset Khối đếm giải mà hiển thị B phần 2: hiển thị chiều quay Dùng mạch đồng Dùng mạch không đồng V phần nguồn VI mạch nguyên lý Mạch đo tốc độ Mạch hiển thị chiều quay V Kết luận I.Mở ĐầU Trong phát triển kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số dần chiếm -u số l-ợng ứng dụng nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng chuyên dụng, nhiỊu lÜnh vùc nh- ®o l-êng, ®iỊu khiĨn, v.v…nhê vào nhiều -u điểm Có thể nói, tảng kỹ thuật số mạch logic số dựa kết hợp cổng logic mà ngày đà đ-ợc tích hợp IC số Trên sở kiến thức đà đ-ợc học môn học: Kỹ thuật số khuôn khổ đồ án môn học: Thiết kế mạch logic số, đà thiết kế mạch logic số với đề tài là: Thiết kế hệ thống đo tốc độ động có hiển thị chiều quay Với mục đích tìm hiểu thêm lĩnh vực kỹ thuật số, nâng cao kiến thức Song kiến thức hạn hẹp thời gian thực không đ-ợc nhiều nên đề tài nhiều sai sót, hạn chế Mặc dù đà cố gắng phần thiết kế tính toán chi tiết mạch, thông số nh-ng mang tÝnh lý thut, ch-a thùc tÕ Chóng t«i mong cã góp ý sửa chữa để đề tài có tính khả thi ph-ơng diện kinh tế nh- kỹ thuật Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đà h-ớng dẫn giúp đỡ chúng em thiết kế hoàn thành đề tài II.NHIệM Vụ: Vấn đề nêu đặt cho ta nhiệm vụ cần thực hiện: 1.Đo(chỉ thị) tốc độ động điện với sai số cho phép(sai số cho phép đề tài chọn 1%) 2.Hiện(chỉ thị) chiều quay động điện III.Lý THUYếT THựC HIệN: Sơ đồ khối để thực nhiệm vụ nêu trên: 1.Phần thị tốc độ: Chuyển vòng quay sang xung điện Khuếch đại tín hiệu xung điện tạo dạng Đếm Cổng Xung mở cổng Reset 2.Phần thị chiều quay động cơ: Giải mà Chỉ thị Lấy tín hiệu chiều quay Khuếch đại tín hiệu tạo dạng Mạch xử lí Chỉ thị IV.CáC PHƯƠNG áN : A.Phần thị tốc độ động cơ: 1.Khối chuyển vòng quay sang xung điện: *Ph-ơng án 1(ph-ơng pháp cơ): Mỗi vòng quay,vấu cam trục đóng công tắc vào lần tạo thành xung điện.Đếm số xung điện < >đếm số vòng quay vấu cam *Ph-ơng án 2(Ph-ơng pháp dùng cảm biến): Một cảm biến thích hợp đ-ợc đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận cách ngắt quÃng có dấu hiệu qua lần nh- vËy nã cung cÊp mét tÝn hiƯu xung cã biªn độ tỉ lệ với +E Cảm biến từ: đầu từ Mẩu băng từ Mối vòng quay,mẩu băng từ đ-ợc dán trục động quét qua đầu từ ,gây biến thiên từ thông ỉ cuộn dây đầu từ,tạo cuộn dây suất điện động có biên độ E.Khi động quay tạo cuộn dây xung suất điện động có tần số < > tốc độ quay động cơ.Đếm số xung suất ®iƯn ®éng < > ®Õm sè vßng quay cđa ®éng Hoặc ta thay mẩu băng từ đĩa quay làm vật liệu từ tính có khía răng(hoặc bánh răng) gắn lên trục động : khe từ vấu từ Hoặc ng-ợc lại ta dùng vật trung gian đĩa chắn từ cách tuần hoàn nam châm cố định cảm biến từ : nam châm cố định vấu chắn từ khe từ Biên độ suất điện động cn d©y E phơ thc chđ u u tè: +Khoảng cach cuộn dây(đầu từ) vật trung gian.Khoảng cách(khe từ) lớn E nhỏ +Tốc độ quay động cơ:E tỉ lệ với tốc độ quay.Khi tốc ®é quay qu¸ bÐ,E sÏ nhá ®Ĩ cã thĨ ph¸t đ-ợc vị trí tốc độ quay chết Cảm biến quang: Thấu kính nguồn phát sáng đầu thu quang nguồn phát sáng đầu thu quang a> b> Cảm biến quang dùng nguồn phát sáng thích hợp cïng víi c¶m biÕn quang vËt trung gian quay có lỗ,đ-ờng vát,hoặc mặt phản xạ +Nguồn sáng: LED,IR-LED,LAZER +Cảm biến quang: PHOTODIODE,PHOTOTRANSISTOR,PHOTO-JFET, PHOTORESISTOR,PHOTOTHYRISTOR Khi động quay,ánh sáng gặp lỗ(hình a>),gặp mặt phản xạ(hình b>) tới đ-ợc đầu thu quang.Khi đầu thu quang ta thu đ-ợc xung điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ thuộc: +Thông l-ợng ánh sáng ỉ tới đ-ợc đầu thu quang: ỉ lớn biên độ xung điện lớn +Độ nhậy đầu thu quang KL: Chọn ph-ơng án: Dùng cảm biến quang hình a> +Nguồn phát quang: IR-LED hồng ngoại phát sóng hồng ngoại gần +Cảm biến quang: PHOTOTRANSISTOR IR-LED, PHOTOTRANSISTOR đ-ợc lấy thực tế mạch IR-LED, PHOTOTRANSISTOR mạch Mouse máy tính Không biết cảm biến quang mạch Mouse có phải PHOTOTRANSISTOR không,hay PHOTO-JFET 2.Khối khuếch đại tín hiệu xung điện tạo dạng: *Tín hiệu xung thu đ-ợc khối chuyển vòng quay sang xung nhỏ,do cần phải khuếch đại tín hiệu lên để sử dụng đ-ợc Một mạch khuếch đại tín hiệu số cho đầu mức logic có xung mức xung Do thiết kế Logic nên phần t-ơng tự không cần quan trọng -> không thiết kế chi tiết *Tín hiệu thu đ-ợc ban đầu ch-a hẳn đà dạng xung vuông chuẩn,vì tín hiệu cần qua tạo dạng để trở thành xung vuông chuẩn.Đơn giản ta chọn mạch OR(tạo từ phần tử NOR IC SN7402): Tạo dạng dùng Smith-Trigo chuyên dụng hơn! *Tín hiệu khối khuếch đại tín hiệu xung điện tạo dạng tín hiệu mạch tạo dạng KL: Do Mouse đà chuuyển vòng quay sang xung điện đ-a vào máy tính nên tín hiƯu cđa nã lµ tÝn hiƯu logic.Nh- vËy toµn khối chuyển vòng quay sang xung điện,khối khuếch đại tạo dạng đ-ợc tận dụng từ Mouse.Tín hiệu tốc độ quay vào khối cổng lúc tín hiệu đ-ợc câu từ mạch Mouse 3.Khối cổng: Khèi cỉng cã nhiƯm vơ chØ cho tÝn hiƯu xung qua đơn vị thời gian đó.Tín hiệu mở cổng lấy từ khối xung mở cổng chọn khối cổng đơn giản mạch AND đầu vào( tạo từ phần tử NAND IC SN7400): 4.Khối Xung Mở Cổng: Là khối dao động đa hài tạo xung vuông có biên độ xung mức logic độ rộng xung đơn vị thời gian mở cổng(tx) a>Đa hài dùng Transistor: tx=0,7.Rb.Cb b>Đa hài dùng Khuếch đại thuật toán: tx=R.C.Ln(1+2R1/R2) Chọn R1=0,86R2 -> tx=R.C.1,0006 c>Đa hài dùng định thời 555: t1 = 0.693*( VR + R )*C1 t2 = 0.693*R*C1 f = 1.44 / [( VR + 2*R)*C1 ] Khi xÐt tới tx ta phải xét phần sai số đo hệ số nhân đo tốc độ với đơn vị vòng/phút.Trong ta sử dụng số lỗ đục bìa để thể sai số phép đo hệ số nhân *Xét tx=1phút: Trong tr-ờng hợp thực đo tốc độ quay động theo vòng/phút thực phần sai số: với sai số phép đo x% thực đục bìa (100/x) lỗ Nh-ng tx dài nên không thực tế.Do không chọn khả *Xét tx Số lỗ đục bìa dùng đơn vị (vòng/phút) là: 60/tx lỗ Với phần sai số x% ta phải đục lỗ liên tiếp (100/x - 1) lỗ Vậy với tr-ờng hợp này,tổng số lỗ phải đục bìa: (60/tx.100/x) lỗ KL: +Chän tx=4(s),khi thiÕt kÕ m¹ch thùc tÕ chØ thĨ x%=10% > Tổng số lỗ đục: 150 lỗ +Vì lý tạo thêm xung xóa trạng thái khối đếm sau chu kì đo, chọn tạo tx từ mạch tạo xung đa hài T=1s: Timer 555 C1= 10uF ; C2= 0.1uF ; R= 62KOhm ; VR=(0 – 50) Kohm(cụ thể 20Kohm) Tạo tx=4(s) từ mạch đa hài Timer 555(T=1(s)): Tín hiệu đa hài đ-ợc ®-a vµo lµm xung ®Õm bé ®Õm 8(®Õm thuËn,m· BCD bit).Khi ®ã tÝn hiƯu bit cao nhÊt Qc đếm tín hiệu khối xung mở cổng với đơn vị mở cổng tx Bộ ®Õm thn bit BCD cã thĨ ®ù¬c thiÕt kế riêng t-ơng tự nh- thiết kế đếm 10 thuận bit BCD phần khối đếm.Tuy nhiên,ta mắc đếm từ đếm 10 thuận bit BCD đà đ-ợc thiết kế đó(dùng IC 7490/74LS90) 10 khối tạo xung xóa trạng thái khối đếm sau chu kì đo Reset 0: Tốc độ quay động đ-ợc đo khoảng thời gian cho khối xung më cỉng,tÝn hiƯu khèi xung më cỉng cã tÝnh chu kì,do khoảng thời gian khối cổng bị khãa(tÝn hiƯu khèi xung më cỉng ë møc thÊp) ta đọc kết đo sau Reset khối đếm để kết đo chu kì đo sau(nếu đo) đựơc Thiết kế xung Reset khối ®Õm: +Xung Reset “0” = AND(TÝn hiƯu m¹ch ®a hµi Timer 555; bit thÊp Qa,Qb ; NOT(Qc)) Qa,Qb,Qc: bit đếm Mạch khối tạo xung Reset 0: Mạch dùng linh kiện NAND,NOR IC SN7402, SN7400 11 +Xung Reset nối trực tiếp tới chân Reset R01,R02 tất IC điếm khối đếm Nh- tr-ớc ®o sau 3.43(s) khèi ®Õm ®-ỵc thiÕt lËp bëi xung Reset “0” cã ®é réng xung = 0.57(s),kÕ ®ã mạch đo(đếm) 4s tiếp,giữ kết 3,43s tiếp theo,0,57s tiếp đếm bị xóa 0.Sang giây thứ 13 trình đếm lặp lại 5.Khối đếm,giải mÃ,hiển thị: Để hiển thị tốc độ quay động điện có tốc độ 1000 vòng/phút với sai số phép đo 1% ta phải dùng LED thanh: Chän LED chung Katot/Anot HÖ thống đếm gồm mạch đếm 10(đếm thuận) mà BCD bit đ-ợc mắc nối tiếp với (bộ đếm lấy xung đếm từ tín hiệu khối cổng,các đếm lại lấy xung đếm (theo kiểu nối tiếp) từ bit cao nhất(Qd) đếm nó),khi mạch đếm đầy kích lên mạch đếm có trọng số lớn T-ơng ứng với mạch đếm mạch giải mà BCD bit mà đ-ợc nối tới LED t-ơng ứng 12 a>Khối đếm: *Bộ đếm thuận 10: Bảng trạng thái: t Qd Qc Qb Qa 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 t+1 Qd Qc Qb Qa 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 +Thiết kế,chọn phần tử mạch: phần tử nhớ JK-FF phần tử logic tổ hợp +2 ph-ơng pháp thiết kế đếm: Thiết kế đồng hợăc không đồng a.1>Thiết kế đồng bộ: Lập bảng mà hóa theo bìa Karough,bảng kích,từ ta tìm đ-ợc hệ ph-ơng trình kích: J1=QcQbQa K1=Qa 13 J2=K2=QbQa J3= Qd Qa K3=Qa J4=K4=1 Sơ đồ mạch: a.2>Thiết kế không đồng bộ: Từ hệ ph-ơng trình kích mạch đếm đồng ta có: J1=QcQb ; K1=1 ; Xung nhÞp Ck1=Qa J2=K2=Qa ; Ck2=Qb J3= Qd ; K3=1 ; Ck3=Qa J4=K4=1 ; Ck4= Xung đếm Sơ đồ mạch: 14 *KL: Thực tế mạch đếm 10(đếm thuận) dùng IC đếm: 7490/74LS90 b>Khối giải mÃ: *Mạch giải mà BCD bit m· thanh: Víi LED thanh: Bảng trạng thái hoạt động mạch giải mÃ: 15 Ch số A B C D 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 a 1 1 1 1 1 1 b c d e f g 1 1 0 1 Thiết kế mạch dùng phần tử logic tỉ hỵp: a b c d e f g = C + A + B D +DB = A+B = A+ C +B+D = C + A +D + B D = CD +B D = A + C D + BD + BC = C D + B D +B C + B *KL: Thùc tÕ dïng IC gi¶i m·: 7447/74LS47 16 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1  74LS90,74LS47,LED Anot chung  SN7490(7490),SN7447(7447),LED Katot chung B.Phần thị chiều quay: 1.Ph-ơng án dùng mạch ®ång bé: +TÝn hiƯu chiỊu quay, xung ®ång bé : 17 LÊy tÝn hiƯu chiỊu quay X, xung ®ång bé Ck : dùng cảm biến quang nh- phần chuyển vòng quay sang xung điện +Đồ hình More bảng trạng thái: Z1: Tín hiệu thị chiều quay ng-ợc chiỊu kim ®ång hå (+) Z2: cïng (-) S0 Z1=0 Z2=0 X X S1 Z1=1 Z2=0 S2 Z1=0 Z2=1 X Z1 S2 S0 S0 S1 S0 S0 Z2 S S0 S1 S2 +ThiÕt kÕ m¹ch chän JKFF: M· hãa: X y1 y2 00 11 01 00 11 00 10 0 1 01 00 00 LËp b¶ng kÝch,rót gän ->KÕt qu¶: J1= X Y = X J2 ; K1= K2= J2= Y Z1= Y Y2 ; Z2=Y1 +S¬ ®å m¹ch: 18 Z1 Z2 - 0 - *Nhận xét: +Mạch đơn giản +Mạch thiết kế với vị trí ban đầu cảm biến vị trí Khi vị trí ban đầu cảm biến vị trí 2,3,4 mạch hoạt động không Vị trí 2: Tín hiệu chiều quay thể bị đảo lại (+): Z1=0 ; Z2=1 (-): Z1=1 ; Z2=0 VÞ trÝ 3: (+) (-) Z1=1 ; Z2=0 Vị trí 4: Ng-ợc vị trí Vậy mạch dùng cho tr-ờng hợp đặt đ-ợc vị trí cảm biến vị trí 2.Ph-ơng án dùng mạch không ®ång bé: M¹ch sư dơng tÝn hiƯu chiỊu quay X1,X2 LÊy tÝn hiƯu X1,X2 : dïng c¶m biÕn quang nh- phần chuyển vòng quay sang xung điện 19 Ta có đồ thị nhịp: õy ch l mt trng hp Q0,Q1,Q2,Q3: trạng thái mạch t-ơng ứng với cặp giá trị X1X2 Đồ hình Mealy: X1 X , X X2 Z1=Z2 X2=0 X1X2, X X Z1=Z2=0 Q0 X1 X Z1=0;Z2=1 Q1 X1 X Z1= 1;Z2 =0 X1X2 Z1=1;Z2=0 X X2 Z1=0;Z2 =1 X1 X Z1=1;Z2=0 Q3 X1X2 Z1=0;Z2=1 X1 X Z1= 0;Z2 =1 Q2 X X2 Z1=1;Z2 =0 X1 X , X X2 Z1=Z2 X2=0 X1X2, X X Z1=Z2=0 20 Z1: TÝn hiÖu chØ thị chiều quay ng-ợc chiều kim đồng hồ (+) Z2: cïng (-) Bảng trạng thái sau: X1X2 Q2 Q3 11 10 Q3 Z1=Z2=0 Q0 Z1=Z2=0 Q1 Z1=Z2=0 Q0 Z1=0 Z2=1 Q2 Z1=Z2=0 Q1 01 Q0 Z1=Z2=0 S Q0 00 Q1 Z1=Z2=0 Q2 Z1=1 Z2=0 Q2 Z1=Z2=0 Q1 Z1=Z2=0 Q0 Z1=1 Z2=0 Q3 Z1=1 Z2=0 Q3 Z1=Z2=0 Q2 Z1=0 Z2=1 Q1 Z1=0 Z2=1 Q3 Z1=Z2=0 Mã hoá trạng thái: X1X2 Q1Q2 00 01 11 10 00 10 00 01 Z1=Z2=0 01 00 Z1=Z2=0 Z1=Z2=0 Z1=Z2=0 01 11 01 00 Z1=0 Z2=1 11 11 Z1=Z2=0 Z1=1 Z2=0 10 Z1=Z2=0 Z1=1 Z2=0 10 00 Z1=1 Z2=0 10 11 Z1=Z2=0 01 Z1=Z2=0 Z1=0 Z2=1 11 Z1=Z2=0 Z1=0 Z2=1 10 Z1=Z2=0 Ánh xạ Q1,Q2,Z1,Z2 vào bìa Karnough,rút gọn ta thu kết quả: Q1’ = Q1Q2 X + Q X X2 + Q1 Q X1 + Q2X1X2 Q2’ = Q1X1X2 + Q1Q2 X + Q1 Q2X2 + Q1 X1 X 21 Z1 = Q1 Q2X1X2 + Q1Q2 X X2 + Q1 Q X X Z2 = Q1 Q2 X X + Q1Q2 X1 X + Q1 Q X1X2 Thiết kế mạch chọn phương án dùng mạch tổ hợp có hồi tiếp(với khơng dùng phương pháp mạch khơng đồng cịn lại l dựng RS-FF,JK-FF thnh T-FF): Sơ đồ mạch: Phần tử AND input thc IC 74LS15 PhÇn tư OR input thc IC 4072 PhÇn tư OR input thc IC 4075 PhÇn tư NOT thc IC SN7404 NhËn xÐt: Tránh Hazard hàm số? *KL: Chọn ph-ơng án mạch không ®ång bé víi khèi chØ thÞ dïng ®Ìn LED bình th-ờng (điện áp 3-6v)cho đầu Z1,Z2 mạch V Vấn đề cấp nguồn cho hệ thống: Nguồn chiều.( 5V ) 22 Điện áp cung cấp cho chân Vcc IC làm việc th-òng nằm khoảng từ 4.5V 5.5V Một vài IC có dải điện ¸p kh¸c ®i mét chót : = 4.75V; max > 5V Để tạo dòng chiều ổn định cung cấp cho IC dùng hai ph-ơng án sau: Chỉnh l-u dòng xoay chiều đà hạ áp, sau cho qua mạch ổn áp 5V Dùng nguồn chiều có sẵn ( khác 5V ), qua chỉnh đơn giản gần 5V - Xét ph-ơng án 1: Sơ đồ nguyên lý mạch T 7805 220V~ 9V~ IN 5V OUT C2 + + COM C1 C3 x 1N4001 Dßng xoay chiỊu 220V bên sơ cấp biến áp T đ-ợc hạ áp xuống 9V~ bên thứ cấp Qua chỉnh l-u cầu thu đ-ợc dòng chiều 9V Tụ C1,C2 có tác dụng lọc thành phần xoay chiều điện áp chiều không ổn định Qua mạch điện ổn áp IC 7805 thu đ-ợc dòng chiều ổn định có giá trị 5V Để có giá trị điện áp ổn định 5V yêu cầu điện áp chiều đầu vào phải >= 7V - Xét ph-ơng án : Nguồn chiều pin pin ghép lại cho ta điện áp >= 4.5V ( giá trị điện ¸p tèi thiĨu ®Ĩ cung cÊp cho ®a sè c¸c IC ) Thông th-ờng nên chọn điện áp từ 4.8V 5.5V trình làm việc, tiêu hao suy giảm, giá trị điện áp < 4.8V cho thời gian làm việc ngắn 23 Nếu ghép pin tiÓu 1.5V nèi tiÕp  nguån 6V Sau dùng diode hạ áp 0.6V để có đ-ợc nguồn nh- ý với giá trị 5.4V Sơ đồ m¹ch : D1 DIODE + 5.4V 6V NÕu dïng mét pin 9V cho qua mạch ổn áp IC 7805 nh- ph-ơng án để có đ-ợc giá trị điện áp chuẩn 5V dùng diode hạ áp 0.6V nh- để có điện áp chấp nhận đ-ợc Vi sơ đồ nguyên lý: vII.kết luận: Căn vào sơ lý thuyết, ph-ơng án đ-a có nhiều cách lựa chon việc lắp ráp mạch thực tế, ph-ơng án đ-ợc lua chọn chua đà ph-ơng án tối -u, nh-ng theo ph-ơng án hợp lý cho việc lắp mạch thực tế Tuy lắp mạch thực tế song đồ án mang tính lý thuyết khả áp dụng vào thực tế ch-a cao, việc sác định tốc độ động xác định tốc độ tĩnh thời điểm định, nh- tốc độ động biến thiên liên tục vói tốc độ nhanh tốc độ đo đ-ợc không sác Mở rộng: Tận dụng mạch Mouse -> Hiểu đ-ợc hoạt động mạch mouse,hệ điều hành xử lí tín hiệu di chuyển vị trí chuột ta có ph-ơng án: dùng mạch mouse nhận tín hiệu chiều quay,đ-a tín hiệu vào máy tính qua cổng vào mouse nối với máy tính,viết ch-ơng trình vi xử lí thị tốc độ nh- chiều quay 24 ... dây suất điện động có biên độ E.Khi động quay tạo cuộn dây xung suất điện động có tần số < > tốc độ quay động cơ. Đếm số xung suất điện động < > đếm số vòng quay động Hoặc ta thay mẩu băng từ đĩa... suất điện động cuộn dây E phụ thuộc chủ yếu yếu tố: +Khoảng cach cuộn dây(đầu từ) vật trung gian.Khoảng cách(khe từ) lớn E nhỏ +Tốc độ quay động cơ: E tỉ lệ với tốc độ quay.Khi tốc độ quay bé,E... ph-ơng án hợp lý cho việc lắp mạch thực tế Tuy lắp mạch thực tế song đồ án mang tính lý thuyết khả áp dụng vào thực tế ch-a cao, việc sác định tốc độ động xác định tốc độ tĩnh thời điểm định, nh- tốc