Ứng dụng vi điều khiển điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được xem l một loại my quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát hay dùng trong những điều kiện làm việc khác. Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thơng vận tải . Tuy vậy máy điện một chiều cũng có những nhược điểm của nó như: so với máy điện xoay chiều thì gi thnh đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp ... Nhưng do những ưu điểm của nó nên máy điện một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất . Cơng suất lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay vào khoảng 10.000 kW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo nhũng máy công suất lớn hơn .

MỤC LỤC Trang

PHẦN 1 3

GIỚI THIỆU CHUNG 3

Chương 1 4

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

I Cấu tạo của máy điện một chiều 4

II Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5

III Các nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều……… 12

Chương 2 18

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU 18

I Giới thiệu về bộ bán dẫn công suất thyristor 18

II Giới thiệu một số bộ chỉnh lưu cầu dùng Thysistor 22

Chương 3 27

TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 27

I Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MCS-51 (8951 27

II Kh o sát s ảo sát sơ đồ chân 8951, chức năng từng ơ đồ chân 8951, chức năng từng đồ chân 8951, chức năng từng chân 8951, ch c n ng t ng ức năng từng ăng từng ừng chân ……… 29

III Cấu trúc bên trong vi điều khiển 31

IV Hoạt động timer của 8951 41

PHẦN 2 49

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 49

Chương 1 50

THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 50

I Lựa chọn mạch chỉnh lưu 50

II Chọn sơ đồ đấu dây cho MBA động lực 50

III Mạch bảo vệ 51

IV Nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng 51

Chương 2 54

MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH HIỂN THỊ 54

I Nguyên lý mạch điều khiển 54

II Mạch hiện thị và so sánh tốc độ 54

III Khâu hồi tiếp tốc độ ( Encoder) 54

Chương 3 55

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA CÁC VI ĐIỀU KHIỂN 55

I Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển 1 55

II Lưu đồ thuật toán của Vi điều khiển 2 56

III Lưu đồ thuật toán của Vi điều khiển 3 57

PHẦN 3 59

TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU

KHIỂN 59

Chương 1 60

TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐỘMG LỰC 60

I Sơ đồ mạch động lực 60

II Tính chọn van động lực Thysistor 60

III Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu 61

IV.Tính chọn mạch bảo vệ quá áp 63

Chương 2 65

TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 65

VÀ MẠCH HIỆN THỊ 65

I Sơ đồ mạch hiện thị và điều khiển 1 kênh 65

II Tính toán các linh kiện trong mạch điều khiển và hiện thị 65

Chương 3 68

PHẦN LẬP TRÌNH 68

I Lập trình cho VĐK 1 68

II Lập trình cho VĐK 2 72

III Lập trình cho VĐK 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN PHỤ LỤC DATASHEET

PHẦN 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được xem là một loạimáy quan trọng Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát hay dùng trong nhữngđiều kiện làm việc khác

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy đượcdùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nhưcán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải

Tuy vậy máy điện một chiều cũng có những nhược điểm của nó như: so vớimáy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo

và bảo quản cổ góp phức tạp Nhưng do những ưu điểm của nó nên máy điện mộtchiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay vào khoảng 10.000 kW ,điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V Hướng phát triển hiện nay là cải tiếntính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo nhũng máy côngsuất lớn hơn

I C u t o c a máy i n m t chi u ấu tạo của máy điện một chiều ạo của máy điện một chiều ủa máy điện một chiều điện một chiều ện một chiều ột chiều ều :

I.1 Phần tĩnh hay stato :

Đây là một phần đứng yên của máy Phần tĩnh gồm các bộ phận tĩnh sau:

I.1.1 Cực từ chính :

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điệnhay thép cácbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong máy điện nhỏ có thể làmbằng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từđược quấn bằng dây đồng cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹthành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích

từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau

I.1.2 Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờnhững bulông

I.1.3 Gông từ

Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại Trong máyđiện lớn thường dùng thép đúc, có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

I.1.4 Các bộ phận khác

Các bộ phận khác gồm có :

-Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây

quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện nhỏ và vừa, nắpmáy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làmbằng gang

-Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than

gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộpchổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thểquay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thìdùng vít cố định chặt lại

I.2 Phần quay rotor :

Phần quay gồm có những bộ phận sau :

I.2.1 Lõi sắt phần ứng :

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỷ thuật điện(thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảmhao tổn do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi éplại thì đặt dây quấn vào

I.2.2 Dây quấn phần ứng :

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua.Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ(công suất dưới vài kW ) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa vàlớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận vớirãnh của lõi thép

I.2.3 Cổ góp :

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều ) dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành dòng điện một chiều

I.2.4 Các bộ phận khác :

-Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy.

-Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt và ổ b Trục máy

thường làm bằng thép cacbon tốt

I.3 Các trị số định mức

Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc trongnhững điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó đươc đặc trưng bằngnhững đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức Trên nhãnmáy thường ghi những đại lượng sau :

Công suất định mức Pđm (KW hay W)

II Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập c tính c c a ơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ủa máy điện một chiều điện một chiềuột chiều ng c i n m t chi u kích t ơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập điện một chiều ện một chiều ột chiều ều ừ độc lập điện một chiềuột chiều ập : c l p

II.1 Khái niêm chung :

Đặc tính cơ của động cơ là quan hệ giữa tốc độ và moment của động cơ :

Trong các biểu thức trên :

Muốn biểu diễn một đại lượng nào đó dưới dạng tương đối ta lấy trị số của nóchia cho trị số cơ bản của đại lượng đó Các đại lương cơ bản thường được chọn là :

Tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗn hợp là tốc độ không tải

lý tưởng o, với động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ là tốc độ đồng bộ 1, cònvới động cơ kích từ nối tiếp tốc độ cơ bản là dm

II.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suấtvô cùng lớn và điện áp không đổi thìmạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi làđộng cơ kích từ song song (H1-1)

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng

và mạch kích từ được mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (H 1-2) , lúc nàyđộng cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

II.2.1 Phương trình đặc tính cơ

Theo sơ đồ H1-1và H1-2, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạchphần ứng như sau:

Uư = Eư +(Rư +Rf ).Iư (2-1)

Iư : dòng điện mạch phần ứng (A)

Với Rư = rư + rcf +rb + rct

E

Hình 1-1 Sơ đồ nối dây của động

cơ kích từ song song

Hình 1-2 Sơ đồ ứôi dây của động cơ

kích từ độc lậpUkt

RktIkt

Ckt

UưRf

rư : điện trở cuộn dây phần ứng

rcf : điện trở cuộn cực từ phụ

rct : điện trở tiếp xúc của chổi than

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức :

p : số đôi cực từ chính

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : số đôi mạch nhánh song song

Mặt khác moment điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi :

Mđt = K  Iư (2-5)Suy ra :

f M K

R R K

U

2

) ( 

K

R R K

2

) ( 

cơ điện (2-4) và phương trình đặc tính cơ (2-7) là tuyến tính Đồ thị của chúng đượcbiểu diễn trên hình H1-3 và H1-4 là những đường thẳng

Theo các đồ thị trên , khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có :  = o U    K ­ (2-8) o dược gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi  =0 ta có : Iư = nm f I R R U   ­ (2-9) Và M = K  Inm= Mnm (2-10) Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và moment ngắn mạch Mặt khác , phương trình đặc tính (2-4) , (2-7) cũng có thể được viết ở dạng :  =         K o RI U K ­ , (2- 11)  =         K o RM U 2 ) ( K ­ , (2-12) Trong đó : R = Rư +Rf ,  =

 K

­

U

,

K

R I

K

R

2

) ( 









 được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối , với điều kiện từ thông là định mức (  = đm ),

Trong đó :  =

o



 , I =

dm

I

I

M

, R =

cb

R

R

,

U

được gọi là điện trở cơ bản )

Từ (2-40 và (2-7) , ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối :

 = 1- R I , (2-13)

 = 1- R M , (2-14)

II.2.2 Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ :

Từ phương trình đặc tính cơ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ : Từ thông  , điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó

II.2.2.1 ảnh hưởng của điện trở phần ứng :

Giả thiết Uư = Uđm =const và  = đm = const

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phầnứng

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng là :

K M

II.2.2.2 ảnh hưởng của điện áp phần ứng :

Giả thiết từ thông  = đm = const, điện trở phần ứng Rư = const Khi thayđổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm, ta có :





dm

x ox

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặctính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình H1-6

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp ) thì moment ngắn mạch, dòng điện ngắnmạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định

Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chếdòng điện khi khởi động

II.2.2.3 Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp của phần ứng Uư =Uđm = const Điện trở phần ứngRư=const Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ.Trong trường hợp này :

- Tốc độ không tải : ox =  var

độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông

Hình H1-6 Các đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông :

R

U dm



­

Moment ngắn mạch : Mnm= K x.Inm =var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễntrên H1-7a,b

Với dạng moment phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm

từ thông tốc độ động cơ tăng lên (xem hình H1-7b)

II.2.3 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm:

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra moment quay ngược chiều với tốc độquay Trong tất cả các trạng thái hãm, động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm : hãm tái sinh, hãmngược và hãm động năng

II.2.3.1 Hãm tái sinh ( hãm trả năng lượng về lưới ):

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lýtưởng Khi hãm tái sinh Eư > Uư, động cơ làm việc như một máy phát điện song songvới lưới So với với chế độ động cơ, dòng điện và moment hãm đã đổi chiều và đượcxác định theo biểu thức :

Ih

U

EI

Hình 1-7 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện

một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

M Mnm2 Mnm1 Mnm

Ngoài hai cách hãm trên còn có hãm động năng

III Các nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

III.1 Khái niện chung :

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễdàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao trong giải điều chỉnh tốc độ rộng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều baogiờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơhoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biếnđổi chính :

- Bộ biến đổi máy điện gồm :Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điệnkhuếch đại (MĐKĐ)

- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thyristor (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thyristor hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như :

- Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

- Hệ truyền động máy điện khếch đại -động cơ (MĐKĐ-Đ)

- Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ (T-Đ)

- Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động , điều chỉnh tốc độ động cơđiện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tựđộng ) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở” ) Hệ điều chỉnh

tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao vàdải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loạitheo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tuỳ thuộcvào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở góc phần tư,hai góc phần tư và bốn góc phần tư

Trong phạm vi mục này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũng như tínhchất riêng của hệ T-Đ

III.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ:

III.2.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng :

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồnnhư máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv Cácthiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng nguồn điện xoay chiều thành mộtchiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Và nguồn cócông suất hữu hạn so với động cơ, nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb vàđiện cảm Lb khác không

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau :

Eb - Eư = Iư(Rb + Rưđ )

­d I K

R R K

E

dm

b dm

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặnbởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thôngcũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của giải điều chỉnh bị giới hạn bởiyêu cầu về sai số tốc độ và về moment khởi động Khi moment tải là định mức thì cácgiá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là :

b )

Rư đRb

UUđk

LK

Đ

ưI

a )

Hình 1-9 Sơ đồ khối và sơ đồ thay trế ở

chế độ xác lập

1 )

)

1

(

max max

dm M

dm o

K

M M

10 /

Vì thế với tải có đặc tính moment không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc

độ cũng không vượt quá 10 Đối với các máy có yêu cầu cao về giải điều chỉnh và độchính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên làkhông thoả mãn được

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyềnđộng một chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độcứng các đặc tính cơ trong toàn giải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tươngđối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của giải điều chỉnh Hay nói cáchkhác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của giải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượtquá giá trị sai số cho phép trong toàn bộ giải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ ởđặc tính cơ thấp nhất là:

min min

min min

o o

cp o

Mc.cp = K đmIđm = Mđm

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và moment nằm trong hình chử nhật bao bởi các đườngthẳng  = đ , M = Mđm và các trục toạ độ Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trongmạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ

Eb= Eư + Iư(Rb + Rưđ) ,

IưEb = IưEư = Iư2(Rb + Rưđ)

Nếu đặt Rb + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là :

2 2

) ( 

I E I

E I

III.2.2 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ :

Hình 1-15 Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ

với các loại tải khác nhau

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = K  Iư và sức điện động quay của động cơ Eư = K

  Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng

là hệ phi tuyến:

dt

d r

r

e

k b

k k

rk - điện trở dây quấn kích từ

rb - điện trở của nguồn điện áp kích từ

k - số vòng dây của dây quấn kích từ

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ :

k b

k k

r r

e i



 ;  = f[ ik] Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằnggiá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính làđặc tính cơ điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơbản (đôi khi chính là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ ) Tốc độ lớn nhất của giải điềuchỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Khi giảm từthông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổgóp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cầnphải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là moment cho phép trên trục động

cơ giảm rất nhanh, ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính

cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích :

uđ k 

Hình 1-11 : a ) Sơ đồ thay thế ; b ) Đặc tính điều chỉnh khi điều

chỉnh từ thông động cơ ; c ) Quan hệ  (ikt)

Lk

rbk

Ik

wkrk

IE

b )Đặc tính cơ bản

từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông

số kết cấu của máy điện :

k k b

r r

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU

I Gi i thi u v b bán d n công su t thyristor ới thiệu về bộ bán dẫn công suất thyristor ện một chiều ều ột chiều ẫn công suất thyristor ấu tạo của máy điện một chiều :

J1, J3 : Mặt tiếp giáp phát điện tích

J2 : Mặt tiếp giáp trung gianH.I.1a : Sơ đồ ký hiệu của SCRH.I.1b : Sơ đồ cấu trúc bốn lớp của SCRH.I.1c : Sơ đồ mô tả cấu tạo của SCRH.I.1d : Sơ đồ tương đương của SCR

I.2 Nguyên lý làm việc của thyristor:

Có thể mô phỏng một Thyristor bằng hai transistor Q1, Q2 như H.I.1d.Transistor Q1 ghép kiểu PNP, còn Q2 kiểu NPN

Gọi 1, 2 là hệ số truyền điện tích của Q1và Q2. Khi đặt điện áp U lên hai đầu A &Kcủa Thyristor, các mặt tiếp giáp J1 & J3 chuyển dịch thuận, còn mặt tiếp giáp J2

chuyển dịch ngược ( J2 mặt tiếp giáp chung của Q1 & Q2 ) Do đó dòng chảy qua J2 là

Do J2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến 1, 2 cùng điều cógiá trị nhỏ, I  Io, cả hai transistor ở trạng thái ngắt

Từ biểu thức (1) ta thấy rằng dòng điện chảy qua Thyristor phụ thuộc vào hệ

số truyền điện tích 1 & 2 Mối quan hệ giữa  và dòng emiter được trình bày ởH.I.2 Như vậy khi 1 + 2 tăng dần đến 1 thì I tăng rất nhanh Theo sơ đồ tươngđương của SCR H.I.1d ta có thể giải thích như sau:

- Dòng IC1 chảy vào cực B của Q2 làm cho Q2 dẫn và IC2 tăng, tức IB1 cũng tăng (IC2

= IB1) khiến Q1 dẫn mạnh -> IC1 tăng và cứ tiếp diễn như thế Hiện tượng này gọi làhồi tiếp dương về dòng, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng điện chảy quaThyristor

-Dòng Ie1 tăng làm cho 1 tăng (H.I.2), còn tăng Ie2 làm cho 2 tăng Cuối cùng thưcïhiện được điều kiện (1 + 2) -> 1, cả hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúcnày nội trở giữa A và K của SCR rất nhỏ

Vậy muốn làm cho Q1, Q2 từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hoà(hay muốn mở Thyristor) chỉ cần làm tăng IB2 Để làm được việc này người ta thườngcho một dòng điều khiển Iđk chảy vào cực cổng của Thyristor, đúng theo chiều IB2

trên H.I.1d

I.3 Đặc tuyến Volt - Ampere của Thyristor:

H.I.3 Đặc tuyến Volt - Ampere của Thyristor

Ith max : Giá trị cực đại dòng thuận Uth : Điện áp thuận

Ung : Điện áp ngược Udt : Điện áp đánh thủng Ing : Dòng ngược

Io : Dòng rò qua ThyristorIdt : Dòng duy trì

u : Điện áp rơi trên Thyristor

Để giải thích được ý nghĩa vật lý của đường đặc tuyến Volt - AmpereThyristor, người ta chia ra làm bốn đoạn đánh số la mã như H.I 3b

- Đoạn (I) ứng với trạng thái ngắt của Thyristor Trong đoạn này (1 + 2 ) < 1, códòng rò qua Thyristor I  Io, việc tăng giá trị U ít có ảnh hưởng đến giá trị dòng I.Khi U tăng đến giá trị Uch (điện áp chuyển mạch) thì bắt dầu quá trình tăng trưởngnhanh chóng của dòng điện,Thyristor chuyển sang trang thái mở.

-Đoạn (II) ứng với giai đoạn chuyển dịch thuận của mặt tiếp giáp J2 (Q1, Q2 chuyểnsang trạng thái bão hoà) Ở giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng điện ứng vớimột lượng giảm lớn của điện áp Đoạn này được gọi là đoạn điện trở âm

-Đoạn (III) ứng với trạng thái mở của Thyristor Trong đoạn này cả 3 mặt tiếp giáp J1,

J2, J3 điều đã chuyển dịch thuận, một giá trị điện áp nhỏ có thể tạo ra một dòng điệnlớn Lúc này dòng điện thuận chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài, điện áp rơitrên Thyristor rất nhỏ Thyristor được giữ ở trạng thái mở chừng nào dòng Ith còn lớnhơn dòng duy trì Idt.

- Đoạn (IV) ứng với trạng thái của Thyristor khi ta đặt một điện áp ngược lên nó (cựcdương lên catốt, cực âm lên Anod) Lúc này J1, J3 chuyển dịch ngược, còn J2 chuyểndịch thuận, vì khả năng khoá của J3 rất yếu nên nhánh ngược của đặc tính Volt-ampere chủ yếu được quyết định bằng khả năng khoá của mặt tiếp giáp J1, do đó códạng nhámh ngược của đặc tính diod thường Dòng điện Ing có giá trị rất nhỏ Ing 

Io Khi tăng Ung đến giá trị Uđt (điện áp đánh thủng) thì J1 bị chọc thủng và Thyristor

bị phá hỏng Vì vậy để tránh hư hỏng cho Thyristor ta không nên đặt điện áp ngược

có giá trị gần bằng Uđt lên Thyristor

Bằng cách cho những Ig >0 sẽ nhận được một họ đặc tính V- A với các Uchnhỏ dần đi

I.4 Các thông số chủ yếu của Thyristor:

I.4.1 Điện áp thuận cực đại (Uth .max ):

Là giá trị điện áp lớn nhất có thể đặt lên Thyristor theo chiều thuận màThyristor vẫn ở trạng thái mở Nếu vượt quá giá trị này có thể làm hỏng Thyristor

I.4.2 Điện áp ngược cực đại (Ung max ):

Là điện áp lớn nhất có thể dặt lên Thyristor theo chiều ngược mà Thyristorvẫn không hỏng Dưới tác động của điện áp này, dòng điện ngược có giá trị Ing = (10

- 20)mmA Khi điện áp ngược đặt lên Thyristor lưu ý phải giảm dòng điều khiển

I.4.3 Điện áp định mức (Uđm):

Là giá trị điện áp cho phép đặc lên trên Thyristor theo chiều thuận và ngược.Thông thường U đm = 2/3 Uth max

I.4.4 Điện áp rơi trên Thyristor:

Là giá trị điện áp trên Thyristor khi Thyristor đang ở trạng thái mở

4

2

3

IH

Uch U

I.4.5 Điện áp chuyển trạng thái (Uch):

Ở giá trị điện áp này, không cần có Iđk, Thyristor cũng chuyển sang trạng tháimở

I.4.6 Dòng điện định mức (Iđm):

Là dòng điện có giá trị trung bình lớn nhất được phép chảy qua Thyristor

I.4.7 Điện áp và dòng điện điều khiển (Uđkmin, Iđkmin):

Là giá trị nhỏ nhất của điện áp điều khiển đặt vào G - K và dòng điện điềukhiển đảm bảo mở được Thyristor

I.4.8 Thời gian mở Thyristor (Ton):

Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm dòngđiện tăng đến 0,9 Iđm

I.4.9 Thời gian khoá Thyristor (Toff ):

Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = 0 đến thời điểm lại xuất hiện điện ápthuận trên Anod mà Thyristor không chuyển sang trạng thái mở

I.4.10 Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (du/ dt):

Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng áp trên Anod mà Thyristor không chuyển từtrạng thái khoá sang trạng thái mở

I.4.11 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (di/ dt):

Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở Thyristor

I.5 Điều khiển đóng_mở Thyristor:

I.5.1 Các biện pháp mở Thyristor:

1 Nhiệt độ:

Nếu nhiệt độ Thyristor tăng cao, số lượng điện tử tự do sẽ tăng lên, dẫn đếndòng điện rò Io tăng lên Sự tăng dòng này làm cho hệ số truyền điện tích 1, 2 tăng

và Thyristor được mở Mở Thyristor bằng phương pháp này không điều khiển được

sự chạy hỗn loạn của dòng nhiệt nên thường được loại bỏ

2 Điện thế cao:

Nếu phân cực Thyristor bằng một điện thế lớn hơn điện áp đánh thủng Uđt thìThyristor mở Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm cho Thyristor bị hỏng nên khôngđược áp dụng

3 Tốc độ tăng điện áp (du/dt):

Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên Anod và Catot thì dòng điện tích của tụđiện tiếp giáp có khả năng mở Thyristor Tuy nhiên dòng điện tích lớn này có thể pháhỏng Thyristor và các thiết bị bảo vệ Thông thường tốc độ tăng điện áp du/dt thì donhà sản xuất qui định

4 Dòng điều khiển cực G

Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K) ,các điện tử từ N2 chạy qua P2 Đến đây, một số ít của chúng chảy vào nguồn Ug vàhình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G – J3 – K – G; còn phần lớn điện tử,chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này,chúng được tăng tốc độ, động năng lớn lên, bẻ gãy các liên kết nguyên tử Si, tạo nênnhững điện tử tự do mới Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phácác nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả của phản ứng dây chuyền này làmxuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1, qua P1 và đến cực dương của nguồnđiện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu

từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độkhoảng 1cm/ 100 s

Điện trở thuận của Thyristor, khoảng 100 k khi còn ở trạng thái khoá, trởthành khoảng 0,01 khi Thyristor mở cho dòng chảy qua.

Thời gian mở: ton là thời gian cần để thiết lập dòng điện chính chảy trongThyristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển Thời gian mở củaThyristor kéo dài khoảng 10 s

I.5.2 Khoá Thyristor :

Một khi Thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig không còn

là cần thiết nữa Để khoá Thyristor, có hai cách:

- Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH (Holdingcurrent), hoặc là:

- Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng )

Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor UAK < 0, hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cựcngược, J2 bây giờ được phân cực thuận Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tínhUAK, đang có mặt tại P1, N1, P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điệnngược chảy từ catôt về anôt, về cực âm của nguồn điện áp ngoài

Buổi đầu của quá trình, từ tođến t1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1 rồi J3 trở nêncách điện Còn lại một ít điện tử bị cầm tù giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượngkhuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết, Bây giờ J2 khôi phục lại tính chất củamặt ghép điều khiển

Thời gian khoá toff tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược (to) cho đến khidòng điện ngược bằng không (t2) Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặtđiện áp thuận lên Thyristor, Thyristor cũng không mở toff kéo dài khoảng vài chục

s

 Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt Thyristor dưới điện áp thuậnkhi Thyristor chưa bị khoá, nếu không, có thể có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn Vậy có công thức:

Thyristor mở + U AK < 0  Thyristor khoá

II Gi i thi u m t s b ch nh l u c u dùng Thysistor ới thiệu về bộ bán dẫn công suất thyristor ện một chiều ột chiều ố bộ chỉnh lưu cầu dùng Thysistor ột chiều ỉnh lưu cầu dùng Thysistor ưu cầu dùng Thysistor ầu dùng Thysistor :

II.1 Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng:

II.1.1 Tải thuần trở:

t sin U 2

Khi    1cho xung điều khiển mở T1 và T3 : ud=u2,

Hai Thysistor này sẽ tự nhiên bị khoá lại khi u2= 0

Khi     cho xung điều khiển mở T2 và T4: ud=u2,

Dòng tải id là dòng gián đoạn

Trị trung bình của dòng điện áp tải, dòng thysistor như sau:

2

I R 2

U sin R

U 2 2

1 I R

U I

), cos 1 ( U 2 d

sin U 2

1 U

d d 2

T

d d

2 2

diXi

RsinU

d 2

RI U

di

X d i

R d sin U 2 1

2 d

d d

d d

2

Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp:

d 2

Vì có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế id là dòng liên tục, id=Id.Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình:

E I R

U

di

X d

E d i

R d sin U 2 1

d

di X E i.

R sin

U

2

d d

d d

2

d d

RsinU

2

d 2

Qua vài phép biến đổi, ta nhận được:

R

U E

d





II.2 Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng:

Sơ đồ cầu một pha không đối xứng sử dụng một nửa số van là Thysistor, nửacòn lại là Diot Do đó làm giảm được một nửa giá thành thiểt bị biến đổi, vì Diot rẻhơn nhiều so với Thysistor Sơ đồ điều khiển cũng đơn giản hơn

Hoạt động của sơ đồ như sau:

Khi    1cho xung điều khiển mở T1 Trong khoảng  1đến  2, Thysistor T1

và Diot D2 cho dòng chảy qua Khi u2 bắt đầu đổi dấu, D1 mở ngay, T1 tự nhiên bịkhoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1, D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, ud= 0

Khi   3     cho xung mở T2 Dòng tải id = Id chảy qua D1 và T2 Diot D2

1

d T

Trị trung bình của dòng trong Diot:

Nhận xét:

- Hệ số cos 1của sơ đồ cầu đối xứng cao hơn so với sơ đồ cầu đối xứng

- Sơ đồ này không cho phép làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc

II.3 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng :

Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của mạch:

Góc  được tính từ giao điểm nửa hình sin

Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết T1 và T5 cho dòng chảy qua.

Khi   1  / 6   cho xung điều khiển mở T1, Thysistor này mở vì ua>0 Sự

mở của T1 làm choT5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì ua>uc Lúc này T6 và T1 chodòng chảy qua Điện áp trên tải:

b a ab

d u u u

Khi   2  3  / 6   cho xung điều khiển mở T2 Thysistor này mở vì khi T6

dẫn dòng, nó đặt ub lên anốt T2 mà ub>uc Sự mở của T2 làm cho T6 bị khoá lại mộtcách tự nhiên vì ub>uc

Các xung điều khiển lệch nhau  / 3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển củacác Thysistor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,

Trong mỗi nhóm, khi điều khiển, nó sẽ khoá ngay Thysistor dẫn dòng trướcnó

Trị trung bình của điện áp trên tải:

Cũng có thể tính Ud = Ud1- Ud2, trong đó Ud1 là giá trị trung bình của ud1 donhóm catốt chung tạo nên, còn Ud2 là giá trị trung bình của ud2do nhóm anốt chung tạonên

2 2

3

6 / 3 2

II.4 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng:

(Trình bày trong phần "chọn phương án")

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051

I Gi i thi u c u trúc ph n c ng h MCS-51 (8951 ới thiệu về bộ bán dẫn công suất thyristor ện một chiều ấu tạo của máy điện một chiều ầu dùng Thysistor ứng họ MCS-51 (8951 ọ MCS-51 (8951 ) :

I.1 Giới thiệu họ MCS-51:

MCS-51 là họ IC vi điều khiển do hãng Intel sản xuất Các IC tiêu biểu cho họ

là 8051 và 8031 Các sản phẩm MCS-51 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển.Việc xử lý trên Byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằngnhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh cung cấp một bảng tiệndụng của những lệnh số học 8 Bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia Nó cung cấp những

hổ trợ mở rộng trên Chip dùng cho những biến một Bit như là kiểu dữ liệu riêng biệtcho phép quản lý và kiểm tra Bit trực tiếp trong điều khiển và những hệ thống logicđòi hỏi xử lý luận lý

8951 là một vi điều khiển 8 Bit, chế tạo theo công nghệ CMOS chất lượng cao,công suất thấp với 4 KB PEROM (Flash Programmable and erasable read onlymemory) Thiết bị này được chế tạo bằng cách sử dụng bộ nhớ không bốc hơi mật độcao của ATMEL và tương thích với chuẩn công nghiệp MCS-51 về tập lệnh và cácchân ra PEROM ON-CHIP cho phép bộ nhớ lập trình được lập trình trong hệ thốnghoặc bởi một lập trình viên bình thường Bằng cách kết hợp một CPU 8 Bit với mộtPEROM trên một Chip đơn, ATMEL AT89C51 là một vi điều khiển mạnh (có côngsuất lớn) mà nó cung ấp một sự linh động cao và giải pháp về giá cả đối với nhiềuứng dụng vi điều khiển

AT89C51 cung cấp những đặc tính chuẩn như sau: 4 KB bộ nhớ chỉ đọc có thểxóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 2TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếpbán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP Thêmvào đó, AT89C51 được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động đến mức không tần số và

hỗ trợ hai phần mềm có thể lựa chọn những chế độ tiết kiệm công suất, chế độ chờ(IDLE MODE) sẽ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, timer/counter, port nốitiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động Chế độ giảm công suất sẽ lưu nội dung RAMnhưng sẽ treo bộ dao động làm mất khả năng hoạt động của tất cả những chức năngkhác cho đến khi Reset hệ thống

Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:

4 KB bộ nhớ có thể lập trình lại nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá

Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz

3 mức khóa bộ nhớ lập trình

2 bộ Timer/counter 16 Bit

128 Byte RAM nội

4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

Giao tiếp nối tiếp

64 KB vùng nhớ mã ngoài

64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

210 vị trí nhớ có thể định vị bit

4 s cho hoạt động nhân hoặc chia

I.2 Sơ đồ khối của AT89C51 :

II Kh o sát s ảo sát sơ đồ chân 8951, chức năng từng chân: ơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập điện một chiềuồ chân 8951, chức năng từng chân: chân 8951, ch c n ng t ng chân: ứng họ MCS-51 (8951 ăng từng chân: ừ độc lập

II.1 Sơ đồ chân 8951:

Hình1-2 Sơ đồ chân IC 8951

II.2 Chức năng các chân của 8951:

- 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó có

24 chân có tác dụng kép (có nghĩa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạtđộng như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của cácbus dữ liệu và bus địa chỉ

a.Các Port:

 Port 0:

- Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 – 39 của 8951 Trong các thiết kế

cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO Đối với cácthiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu

 Port 1:

- Port 1 là port IO trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2,

… có thề dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có chứcnăng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài

 Port 2:

- Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21- 28 được dùng như cácđường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mởrộng

 Port 3:

- Port 3 là port có tác dụng kép trên các chân 10-17 Các chân của port này cónhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệtcủa 8951 như ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổiP3.0

INT1\

T0T1WR\

RD\

Ngõ vào dữ liệu nối tiếp

Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

Ngõ vào ngắt cứng thứ 0

Ngõ vào ngắt cứng thư 1

Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0.Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1.Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài.Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

b.Các ngõ tín hiệu điều khiển:

Ngõ tín hiệu PSEN (Program store enable):

- PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương

trình mở rộng thường được nói đến chân 0E\ (output enable) của Eprom cho phép

đọc các byte mã lệnh

- PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8951 lấy lệnh Các mã lệnhcủa chương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnhbên trong 8951 để giải mã lệnh Khi 8951 thi hành chương trình trong ROM nộiPSEN sẽ ở mức logic 1

 Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address Latch Enable):

- Khi 8951 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus địa chỉ vàbus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ

30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kếtnối chúng với IC chốt

- Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vaitrò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thểđược dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Chân ALE được dùnglàm ngõ vào xung lập trình cho Eprom trong 8951

 Ngõ tín hiệu EA\(External Access) :

- Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắt lên mức 1 hoặc mức 0 Nếu ởmức 1, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 8 Kbyte.Nếu ở mức 0, 8951 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng Chân EA\ được lấylàm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 8951

 Ngõ tín hiệu RST (Reset):

-Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8951 Khi ngõ vào tín hiệu nàyđưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trịthích hợp để khởi động hệ thống Khi cấp điện mạch tự động Reset

 Các ngõ vào bộ giao động X1,X2:

-Bộ dao động được được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951 ngườithiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần sốthạch anh thường sử dụng cho 8951 là 12Mhz

Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V

III C u trúc bên trong vi i u khi n ấu tạo của máy điện một chiều điện một chiều ều ển :

EnableviaPSEN

DATAMemory

EnableviaRD­&­WR

Bản đồ bộ nhớ Data trên Chip như sau:

F0 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 BRAM đa dụng

E0 E7 E6 E5 E4 E

D0 D7 D6 D5 D4 D

3D2 D1 D0 PSW

B BA B9 B8 IP2F 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78

2D 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68

B AA A9 A8 IE2B 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58

D

10

Ram và các thanh ghi chức năng đặc biệt

- Bộ nhớ trong 8951 bao gồm ROM và RAM RAM trong 8951 bao gồm nhiều

thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh

ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt

- 8951 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng bộ nhớ riêng biệt chochương trình và dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 8951 nhưng

8951 vẫn có thể kết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte dữ liệu

Hai đặc tính cần chú ý là:

 Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được định vị (xác định) trong bộ nhớ và

có thể truy xuất trực tiếp giống như các địa chỉ bộ nhớ khác

 Ngăn xếp bên trong Ram nội nhỏ hơn so với Ram ngoại như trong các bộMicroprocontroller khác

RAM bên trong 8951 được phân chia như sau:

 Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH

 RAM địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

 RAM đa dụng từ 30H đến 7FH

 Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH

RAM đa dụng:

- Mặc dù trên hình vẽ cho thấy 80 byte đa dụng chiếm các địa chỉ từ 30H đến 7FH,

32 byte dưới từ 00H đến 1FH cũng có thể dùng với mục đích tương tự (mặc dù cácđịa chỉ này đã có mục đích khác)

- Mọi địa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùng kiểu địachỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

RAM có thể truy xuất từng bit:

- 8951 chứa 210 bit được địa chỉ hóa, trong đó có 128 bit có chứa các byte có chứacác địa chỉ từ 20F đến 2FH và các bit còn lại chứa trong nhóm thanh ghi có chứcnăng đặc biệt

- Ý tưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm là các đặc tính mạnh củamicrocontroller xử lý chung Các bít có thể được đặt, xóa, AND, OR, …, với 1 lệnhđơn Đa số các microcontroller xử lý đòi hỏi một chuỗi lệnh đọc– sửa- ghi để đạtđược mục đích tương tự Ngoài ra các port cũng có thể truy xuất được từng bít

- 128 bit truy xuất từng bit này cũng có thể truy xuất như các byte hoặc như các bitphụ thuộc vào lệnh được dùng

Các bank thanh ghi:

- 32 byte thấp của bộ nhớ nội được dành cho các bank thanh ghi Bộ lệnh 8951 hỗtrợ 8 thanh ghi có tên là R0 đến R7 và theo mặc định sau khi reset hệ thống, các thanhghi này có các địa chỉ từ 00H đến 07H

- Các lệnh dùng các thanh ghi RO đến R7 sẽ ngắn hơn và nhanh hơn so với cáclệnh có chức năng tương ứng dùng kiểu địa chỉ trực tiếp Các dữ liệu được dùngthường xuyên nên dùng một trong các thanh ghi này

- Do có 4 bank thanh ghi nên tại một thời điểm chỉ có một bank thanh ghi đượctruy xuất bởi các thanh ghi RO đến R7 đề chuyển đổi việc truy xuất các bank thanhghi ta phải thay đổi các bit chọn bank trong thanh ghi trạng thái

III.2 Các thanh ghi có chức năng đặc biệt:

- Các thanh ghi nội của 8951 được truy xuất ngầm định bởi bộ lệnh

- Các thanh ghi trong 8951 được định dạng như một phần của RAM trên chip

vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một địa chỉ (ngoại trừ thanh ghi bộ điếm chương trình và

thanh ghi lệnh vì các thanh ghi này hiếm khi bị tác động trực tiếp) Cũng như R0 đếnR7, 8951 có 21 thanh ghi có chức năng đặc biệt (SFR: Special Function Register) ởvùng trên của RAM nội từ địa chỉ 80H đến FFH

Chú ý: tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH không được định nghĩa, chỉ có 21 thanh ghi

có chức năng đặc biệt được định nghĩa sẵn các địa chỉ

- Ngoại trừ thanh ghi A có thể được truy xuất ngầm như đã nói, đa số các thanh ghi

có chức năng đặc biệt SFR có thể địa chỉ hóa từng bit hoặc byte

T ­tr ng­thái­chừ trạng thái chương trình ở địa chỉ D0H được tóm tắt như sau: ạng thái chương trình ở địa chỉ D0H được tóm tắt như sau: ương trình ở địa chỉ D0H được tóm tắt như sau:ng­trình­ ­ở địa chỉ D0H được tóm tắt như sau: địa chỉ D0H được tóm tắt như sau:a­ch ­D0H­ỉ D0H được tóm tắt như sau: được tóm tắt như sau:c­tóm­t t­nh ­sau:ắt như sau: ư

00=Bank 0; address 00H07H01=Bank 1; address 08H0FH10=Bank 2; address 10H17H11=Bank 3; address 18H1FH

Chức năng từng bit trạng thái chương trình

- Cờ nhớ có tác dụng kép Thông thường nó được dùng cho các lệnh toán học: C=1nếu phép toán cộng có sự tràn hoặc phép trừ có mượn và ngược lại C= 0 nếu phéptoán cộng không tràn và phép trừ không có mượn

- Khi cộng những giá trị BCD (Binary Code Decimal), cờ nhớ phụ AC được set nếukết quả 4 bit thấp nằm trong phạm vi điều khiển 0AH 0FH Ngược lại AC= 0

Cờ 0 (F0) là 1 bit cờ đa dụng dùng cho các ứng dụng của người dùng

RS1 và RS0 quyết định dãy thanh ghi tích cực Chúng được xóa sau khi reset

hệ thống và được thay đổi bởi phần mềm khi cần thiết

Tùy theo RS1, RS0 = 00, 01, 10, 11 sẽ được chọn Bank tích cực tương ứng làBank 0, Bank1, Bank2, Bank3

- Cờ tràn được set sau một hoạt động cộng hoặc trừ nếu có sự tràn toán học Khi các

số có dấu được cộng hoặc trừ với nhau, phần mềm có thể kiểm tra bit này để xác địnhxem kết quả có nằm trong tầm xác định không Khi các số không có dấu được cộngbit OV được bỏ qua Các kết quả lớn hơn +127 hoặc nhỏ hơn –128 thì bit OV = 1

AB lấy A chia B, kết quả nguyên đặt vào A, số dư đặt vào B

- Thanh ghi B có thể được dùng như một thanh ghi đệm trung gian đa mụcđích Nó là những bit định vị thông qua những địa chỉ từ F0HF7H

- Con trỏ ngăn xếp là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H Nó chứa địa chỉ củacủa byte dữ liệu hiện hành trên đỉnh ngăn xếp Các lệnh trên ngăn xếp bao gồm cáclệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp (PUSH) và lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp (POP) Lệnhcất dữ liệu vào ngăn xếp sẽ làm tăng SP trước khi ghi dữ liệu và lệnh lấy ra khỏi ngănxếp sẽ làm giảm SP Ngăn xếp của 8031/8051 được giữ trong RAM nội và giới hạncác địa chỉ có thể truy xuất bằng địa chỉ gián tiếp, chúng là 128 byte đầu của 8951

- Để khởi động SP với ngăn xếp bắt đầu tại địa chỉ 60H, các lệnh sau đây đượcdùng:: MOV SP, #5F

- Với lệnh trên thì ngăn xếp của 8951 chỉ có 32 byte vì địa chỉ cao nhất củaRAM trên chip là 7FH Sỡ dĩ giá trị 5FH được nạp vào SP vì SP tăng lên 60H trướckhi cất byte dữ liệu

- Khi Reset 8951, SP sẽ mang giá trị mặc định là 07H và dữ liệu đầu tiên sẽđược cất vào ô nhớ ngăn xếp có địa chỉ 08H Nếu phần mềm ứng dụng không khởiđộng SP một giá trị mới thì bank thanh ghi 1 có thể cả 2 và 3 sẽ không dùng được vìvùng RAM này đã được dùng làm ngăn xếp Ngăn xếp được truy xuất trực tiếp bằngcác lệnh PUSH và POP để lưu trữ tạm thời và lấy lại dữ liệu, hoặc truy xuất ngầmbằng lệnh gọi chương trình con (ACALL, LCALL) và các lệnh trở về (RET, RETI)

để lưu trữ giá trị của bộ đếm chương trình khi bắt đầu thực hiện chương trình con vàlấy lại khi kết thúc chương trình con …

Con trỏ dữ liệu DPTR (Data Pointer) :

-Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là một thanh ghi

16 bit ở địa chỉ 82H (DPL: byte thấp) và 83H (DPH: byte cao) Ba lệnh sau sẽ ghi55H vào RAM ngoài ở địa chỉ 1000H:

- Các Port của 8951 bao gồm Port0 ở địa chỉ 80H, Port1 ở địa chỉ 90H,Port2 ở địa chỉ A0H, và Port3 ở địa chỉ B0H Tất cả các Port này đều có thể truy xuấttừng bit nên rất thuận tiện trong khả năng giao tiếp

- 8951 có chứa hai bộ định thời/bộ đếm16 bit được dùng cho việc định thờiđược đếm sự kiện Timer0 ở địa chỉ 8AH (TL0: byte thấp) và 8CH (TH0: byte cao).Timer1 ở địa chỉ 8BH (TL1: byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao) Việc khởi độngtimer được SET bởi Timer Mode (TMOD) ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiểnTimer (TCON) ở địa chỉ 88H Chỉ có TCON được địa chỉ hóa từng bit

-8951 chứa một Port nối tiếp cho việc trao đổi thông tin với các thiết bị nối tiếpnhư máy tính, modem hoặc giao tiếp nối tiếp với các IC khác Một thanh ghi đệm dửliệu nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H sẽdữ cảõhai dữ liệu truyền và dữ liệu nhập Khitruyền dữ liệu ghi lên SBUF, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF Các mode vận khác

nhau được lập trình qua thanh ghi điều khiển Port nối tiếp (SCON) được địa chỉ hóatừng bit ở địa chỉ 98H.

- 8951 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên Các ngắt bị cấm sau khi bị reset hệthống và sẽ được cho phép bằng việt ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở địa chỉ A8H

Cả hai được địa chỉ hóa từng bit

- Thanh ghi PCON không có bit định vị Nó ở địa chỉ 87H chứa nhiều bit điều khiển.Thanh ghi PCON được tóm tắt như sau:

 Bit 7 (SMOD): Bit có tốc độ Baud ở mode 1, 2, 3 ở Port nối tiếp khi set

 Bit 6, 5, 4: Không có địa chỉ

 Bit 3 (GF1) : Bit cờ đa năng 1

 Bit 2 (GF0) : Bit cờ đa năng 2

 Bit 1 * (PD) : Set để khởi động mode Power Down và thoát để reset

 Bit 0 (IDL): Set để khởi động mode Idle và thoát khi ngắt mạch hoặc reset

Các bit điều khiển Power Down và Idle có tác dụng chính trong tất cả các IC

họ MSC-51 nhưng chỉ được thi hành trong sự biên dịch của CMOS

III.3 Bộ nhớ ngoài (external memory):

- 8951 có khả năng mở rông bộ nhớ lên đến 64K byte bộ nhớ chương trình và64k byte bộ nhớ dữ liệu ngoài Do đó có thể dùng thêm RAM và ROM nếu cần

- Khi dùng bộ nhớ ngoài, Port0 không còn chức năng I/O nữa Nó được kết hợp giữabus địa chỉ (A0-A7) và bus dữ liệu (D0-D7) với tín hiệu ALE để chốt byte của bus địachỉ chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ Port được cho là byte cao của bus địa chỉ

Truy xuất bộ nhớ mã ngoài (Acessing External Code Memory):

- Bộ nhớ chương trình bên ngoài là bộ nhớ ROM được cho phép của tín hiệuPSEN\ Sự kết nối phần cứng của bộ nhớ EPROM như sau:

Trong một chu kỳ máy tiêu biểu, tín hiệu ALE tích cực 2 lần Lần thứ nhất chophép 74HC373 mở cổng chốt địa chỉ byte thấp, khi ALE xuống 0 thì byte thấp vàbyte cao của bộ đếm chương trình đều có nhưng EPROM chưa xuất vì PSEN\ chưa

Port 0 EA ALE Port 2 PSEN

8951

D0  D7 A0  A7

A8  A15 OE

74HC373

O D

tích cực, khi tín hiệu lên một trở lại thì Port 0 đã có dữ liệu là Opcode ALE tích cựclần thứ hai được giải thích tương tự và byte 2 được đọc từ bộ nhớ chương trình Nếulệnh đang hiện hành là lệnh 1 byte thì CPU chỉ đọc Opcode, còn byte thứ hai bỏ đi.

- Bộ nhớ dữ liệu ngoài là một bộ nhớ RAM được đọc hoặc ghi khi được cho phépcủa tín hiệu RD\ và WR Hai tín hiệu này nằm ở chân P3.7 (RD) và P3.6 (WR) LệnhMOVX được dùng để truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và dùng một bộ đệm dữ liệu 16bit (DPTR), R0 hoặc R1 như là một thanh ghi địa chỉ

- Các RAM có thể giao tiếp với 8951 tương tự cách thức như EPROM ngoạitrừ chân RD\ của 8951 nối với chân OE\ (Output Enable) của RAM và chân WR\ của

8951 nối với chânWE \của RAM Sự nối các bus địa chỉ và dữ liệu tương tự như cáchnối của EPROM

- Sự giải mã địa chỉ là một yêu cầu tất yếu để chọn EPROM, RAM, 8279, …

Sự giải mã địa chỉ đối với 8951 để chọn các vùng nhớ ngoài như các vi điều khiển.Nếu các con EPROM hoặc RAM 8K được dùng thì các bus địa chỉ phải được giải mã

để chọn các IC nhớ nằm trong phạm vi giới hạn 8K: 0000H1FFFH,2000H3FFFH, …

- Một cách cụ thể, IC giải mã 74HC138 được dùng với những ngõ ra của nóđược nối với những ngõ vào chọn Chip CS (Chip Select) trên những IC nhớ EPROM,RAM, … Hình sau đây cho phép kết nối nhiều EPROM và RAM

Port 0EA\

ALEPort 2RD\

WR\

8951

D0  D7 A0  A7

A8  A15OE\

WE\

74HC373

O D G

RAM