thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện

Bộ Công Thương Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội ********* Báo cáo Đồ án môn học vi điều khiển Chủ đề 17: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều. - Mạch điện tử được thiết kế trên máy tính bằng phần mềm chuyên dụng. - Hệ thống có thể điều khiển được các động cơ có công suất <=60W, điện áp <=24VDC. - Thao tác điều khiển bao gồm đảo chiều, tăng giảm tốc độ bằng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). - Hệ thống có các phím nhấn điều khiển việc đảo chiều, tăng, giảm tốc độ. - Hệ thống có cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực để đảm bảo chống nhiễu cho bộ điều khiển. Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Anh Dũng Sinh viên thực hiện: Đinh Văn Thế Lưu Doãn Liêm Nguyễn Anh Tuấn Lớp: ĐT5 – K11 1 Lời nói đầu Trong các ngành công nghiêp, 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 sử dụng 89C52 để lập trình điều khiển động cơ một chiều DC dùng rơle đảo chiều động cơ. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử đã giúp đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án và thầy Nguyễn Anh Dũng đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em là đồ án. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đồ án, chưa có nhiều kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều sai sót trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình mong các thầy, cô và các bạn góp ý và bổ sung thêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn. 2 PHẦN I. CỞ SỞ LÝ THUYẾT _____SƠ LƯỢC VỀ 8051_____ 8051 ra đời năm 1981 do hãng Intel sản xuất. Họ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4kbyte ROM, hai bộ định 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. I. Chức năng các chân của họ 8051 1. Port 0 ( P0.0- P0.7) Port 0 gồm 8 chân, ngoài các chức năng xuất nhập, Port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ(AD0-AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi 8051 giao tiếp với các thiết bị ngoài có kiến trúc bus như các vi mạch nhớ, mạch nhớ PIO… 2. Port 1 ( P1.0- P1.7) Port 1 có chức năng xuất nhập theo bit và byte. Ngoài ra, ba chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, hai chân P1.0, và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2. 3 3. Port 2 (P2.0-P2.7) Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus dịa chỉ đối vớo các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng. 4. Port 3 (P3.0- P3.7) Mỗi chân trên Port 3 ngoai chớc năng xuất nhập còn có chớc năng riêng, cụ thể như sau : Bit Tên Chức năng 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/counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1 P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. 5. Chân /PSEN ( Program store Enable) /PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân /OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài . /PSEN sẽ ở mức thấp 4 trong thời gian đọc mã lệnh . Mã lẹnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0) thanh ghi lệnh để được giải mã . Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức cao. 6. Chân ALE (Address Latch Enable) ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của vi điều khiển. tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373, 74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0). 7. Chân /EA (External Access) Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển . Nếu EA ở mức cao (nối với vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội . Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND), thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoài . 8. RST (Reset) Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống . 9. XTAL1, XTAL2 8051 có một bộ dao động trên chíp, nó thường được nối với với bộ dao động bằng thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHZ, thông thường là 12MHZ. Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh 10. VCC, GND 8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp qua chân 20 và 40. 5 II. Tìm hiển về 89S52 - 4 Kbyte bộ nhớ Flash có thể lập trình lặp vơi 1000 chu kỳ đọc xoá - Hoạt động tĩnh đầy đủ : Từ 0 HZ đến 24 MHZ - Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp - 128x8 bit RAM nội - 32 đường xuất nhập lập trình được - Hai timer / counter không bit - Một port nối tiếp sang cổng có thể lập trình được - Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chíp 89S52 là một dòng trong họ 8051, nó có đầy đủ tính chất cũng như tính năng của họ 8051. Sau đây là sơ đồ chân của 89S52: 89S52 có tất cả là 40 chân, trong đó chân 20 và 40 là 2 chân nối nguồn với điện áp cho phép nằm vào khoảng 3-5,5V. Từ chân 1 đến chân 8 là chân Port 1, từ chân 10 đến chân 17 là chân của Port 3, từ chân 32 đến chân 39 là chân của port 0, từ chân 22 đến chân 28 là các chân của Port 2, các chân còn lại là :chân 9 là chân RST, chân 18 và chân 19 lần lượt là chân XTAL1 và XTAL2, từ chân 29 đến chân 31 lần lượt là các chân PSEN, ALE, EA. Sơ đồ chân của 8051 6 Như vậy theo sơ đồ trên AT89S52 có 40 chân mỗi chân có chức năng như các đường I/O (xuất nhập ), trong đó 24 chân có công dụng kép, mỗi đường có thể hoạt động như một đường I/O hoặc như đường điều khiển hoặc như thành phần của bus điều khiển và bus dữ liệu. Hình 2. Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển AT89S52 AT89S52 có 8byte Flash ROM trên chip, khi chân /EA (chân 31) được đặt ở mức logic cao thì bộ vi điều khiển sẽ thực hiện chương trình trong bộ nhớ này, tuổi thọ cho bộ nhớ này vào khoảng 1000 lần lập trình, khi chân EA ở mức thấp thì bộ vi điều khiển sẽ thực hiện chương trình ở bộ nhớ ngoài (EPROM ngoài). Để thực hiện được điều này thì 89S52 cần cần có một mạch phối ghép AT89S52 với Flash/EPROM AT89S52 có 256 byte RAM nội, trong đó có 32 byte của bộ nhớ dành cho các bank thanh ghi. 7 AT89S52 có 128 bit có chứa các byte định địa chỉ theo bit tà 20H đến 2FH, các bít này có thể là việc với 1 lệnh đơn. Ngày nay , với sự phát triển của công nghệ thì việc sử dụng chip nói chung và họ 8051 nói riêng ngày càng cần thiết và phổ biến … III. Các hoạt động của AT89S52: *Hoạt động định thời/đếm: AT89S52 có 3 bộ định thời/đếm là Timer0, Timer1, Timer2. Các thanh ghi của Timer0 và Timer1 gồm có: Thanh ghi chế độ định thời TMOD dùng để đặt chế độ làm việc cho timer0 và timer1. Thanh ghi điều khiển timer TCON chứa các bit trạng thái và bit điều khiển cho Timer0 và Timer1. Thanh ghi chứa giá trị cửa các bộ định thời. Riêng timer2 thì có thanh ghi riêng là T2CON và T2MOD. Timer2 ít dùng nên ở đây chỉ giới thiệu qua. *Hoạt động port nối tiếp : AT89S52 có 1 cổng nối tiếp trên chip có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhauvoiws các tốc độ khác nhau. Chức năng chính của cổng nối tiếp là thực hiện chuyển đổi song song sang nối tiếp dữ liệu xuất và chuyển đổi nối tiếp sang song song với dữ liệu nhận để có thể giao tiếp với máy tính. Các thanh ghi của cổng nối tiếp là SBUF và SCON là 2 thanh ghi chức năng đặc biệt cho phép phần mềm truy xuất đến cổng nối tiếp *Hoạt động của ngắt : Trong thực tế người ta muốn tận dụng khả năng của CPU để làm thêm nhiều công việc khác nữa, chỉ khi nào có cần trao đổi dữ liệu mới cần yêu cầu CPU tạm dừng công việc hiện tại để phục vụ việc trao đổi dữ liệu. Vì vậy 1 hệ thống sử dụng ngắt có thể đáp ứng nhanh các yêu cầu trao đổi dữ liệu trong khi vẫn có thể làm được các công việc khác. Tổ chức ngắt ở AT89S52 bao gồm: - Ngắt ngoài đến từ chân INT0. - Ngắt ngoài đến từ chân INT1. - Ngắt do bộ Timer0. - Ngắt do bộ Timer1. - Ngắt do bộ Timer2. - Ngắt do Port nối tiếp. Sáu nguồn ngắt này được xóa khi reset và được đặt riêng bằng phần mềm bởi các bit trong thanh ghi cho phép ngắt IE và thanh ghi ưu tiên ngắt IP. Ngoài ra AT89S52 còn có nhiều tính năng khác mà chúng em chưa khai thác được. 8 _____ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU_____ I. 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 Mạch từ của một máy điện 2 cực Cuộn dây kích từ trên một cực từ 9 Cấu tạo cổ góp 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 lượng của các cực từ là 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 động cơ. Mạch kích từ không phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trong động 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 trong các 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 10 [...]... điều khiển 1 Phương pháp điều chế độ rộng xung điều khiển tốc độ động cơ (PWM) Điều khiển tốc độ động cơ là một kĩ thuật hết sức quan trọng trong các ứng dụng của động cơ Kĩ thuật này giúp bạn có thể điều khiển đ ộ n g c ơ của mình chạy nhanh chậm tuỳ ý a) Có hai cách tạo xung có độ rộng thay đổi bằng VĐK + Cách 1: Như các bạn điều khiển nhấp nháy 1 con led, đó là tạo ra 1 xung trên 1 chân của vi điều. .. chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu còn lại của động cơ => động cơ vẫn quay theo chiều như trước nhưng tốc độ chậm hơn - Khi nhấn nút RESET vi điều khiển, vi điều khiển trở về trạng thái ban đầu => động cơ ngừng hoạt động 19 PHẦN 3 KẾT LUẬN - Ưu điểm: + Mạch chạy tương đối ổn định + Thiết kế mạch đẹp, khoa học + Mạch điều khiển được động cơ có công suất... ta dùng bộ định thời Timer của vi điều khiển trong trong hợp này rất tiện + Cách 2: Dùng ngắt Timer của bộ vi điều khiển Khi bắt đầu cho timer 1 chạy thì bộ đếm của timer sẽ đếm dao động của thạch anh, cứ 12 dao động của thạch anh (1 chu kì máy), bộ đếm của timer 1 TL1(Timer Low1) sẽ tăng 1, có thển nói timer 1 đếm số chu kì máy Đối với chế độ 8 bít TL1 là 1 thanh ghi 8 bít, là bộ đếm của bộ định thời... rơle1 hoạt động, rơle2 không hoạt đông => Điện áp đặt vào 2 đầu động cơ là khác nhau (12V – ~0V), đồng thời vi điều khiển tạo 1 xung PWM (độ rộng khoảng 70%) trên chân 28 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu còn lại của động cơ => động cơ quay thuận 18 - Khi nhấn nút quay ngược, tín hiệu được đưa đến vi điều khiển, vi điều khiển nhận... 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. .. transistor C1815 khuếch đại => điều khiển rơle2 hoạt động, rơle1 không hoạt đông => Điện áp đặt vào 2 đầu động cơ là khác nhau (~0V – 12`V), đồng thời vi điều khiển tạo 1 xung PWM trên chân 28 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu còn lại của động cơ => động cơ quay ngược - Khi nhấn nút tăng tốc độ, tín hiệu trên chân 26 và 27... thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều.cho chúng ta hiểu thêm về môn học vi điều khiển nói chung cũng như kĩ năng thiết kế mạch và tính dòng cho mạch, động cơ Trong quá trình tìm hiểu kết quả vẫn chưa được hoàn thiện và vẫn cần bổ sung thêm Em rất mong được sự đóng góp ý kiến và hướng dẫn của thầy, cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện tốt hơn Em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA... hoạt động - Khi chưa nhân nút, chân 26 (P2.5) và chân 27 (P2.6) ở mức 0, rơle không hoạt động, điện áp ở 2 đầu của động cơ bằng Uvào (12V) => động cơ không hoạt động - Khi nhấn nút quay thuận, tín hiệu được đưa đến vi điều khiển, vi điều khiển nhận và xử lí tín hiệu => sau đó đưa tín hiệu qua chân 26 (P2.5) và chân 27 (P2.6) Chân 26 tích mức 1, chân 27 tích mức 0 => transistor khuếch đại => điều khiển. .. vi điều khiển và mạch động lực nhưng mạch vẫn còn nhiễu, điều khiển chưa chính xác + Rơle khó điều khiển được nếu bị sụt áp, do động cơ hút dòng mạnh => Nguồn nuôi khoảng 3A - Tính thực tế, phương hướng phát triển: + Tính thực tế chưa cao + Nguồn tài nguyên của 8051 vẫn còn hạn chế + Hiện tại nhóm đang nghiên cứu dùng 8051 để điều khiển động cơ bước và sẽ nghiên cứu chuyên sâu về rôbốt… Với bài thiết. .. Mặt khác, tạo một xung PWM mới (độ rộng khoảng 99%) trên chân 28 qua opto (cách ly quang => chống nhiễu cho vi điều khiển) => qua MOSFET IRF540 khuếch đại tín hiệu đưa vào đầu còn lại của động cơ => động cơ vẫn quay theo chiều như trước nhưng tốc độ nhanh hơn - Khi nhấn nút giảm tốc độ, tín hiệu trên chân 26 và 27 vẫn giữ nguyên mức lôgíc Mặt khác, tạo một xung PWM mới (độ rộng khoảng 1%) trên chân 28 . trình cho vi điều khiển 1. Phương pháp điều chế độ rộng xung điều khiển tốc độ động cơ (PWM) Điều khiển tốc độ động cơ là một kĩ thuật hết sức quan trọng trong các ứng dụng của động cơ. Kĩ thuật. 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. nguyên của 8051 vẫn còn hạn chế + Hiện tại nhóm đang nghiên cứu dùng 8051 để điều khiển động cơ bước và sẽ nghiên cứu chuyên sâu về rôbốt…. Với bài thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện