Đồ án môn học đề tài điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Về phương diện điều chỉnh tốc độ,động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, khôngnhững nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngànhđiện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển, từ khicông nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điềukhiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắpráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy,công suất tiêu thụ nhỏ

Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong cácthiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người nhưmáy giặt, đồng hồ báo giờ, cân điện tử đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngàycàng hiện đại và tiện nghi hơn.Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy

có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen Về phương diện điều chỉnh tốc độ,động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, khôngnhững nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điềukhiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lưọng điều chỉnh cao trong dải điềuchỉnh tốc độ rộng

Vì vậy với đề tài đồ án môn học về “Điều khiển tốc độ động cơ một chiều” dưới

sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Văn Vinh rất đa dạng và phong phú, có

nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp Do tài liệu thamkhảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tếcòn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót Vì vậy rất mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạnsinh viên trong khoa

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2012 Giáo Viên Hướng Dẫn

Nguyễn Văn Vinh

MỤC LỤC

Giới Thiệu Chung -4

I.Tổng quan -4

II Mục tiêu của đề tài -5

III.Phương pháp nghiên cứu -5

IV.Kết quả dự kiến -5

Chương I: Tìm Hiểu Về VXL 8051 Và Các Thiết Bị Sử Dụng -6

I Vi Điều Khiển AT89C51 -6

III Động cơ điện một chiều. -12

Chương II: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Theo Yêu Cầu -21

I Tổng quát về các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. -21

II- Điều chế PWM để điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. -22

Chương III: Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Bằng Phần Mềm Proteus -23

Kết Luận -34

KHÁI QUÁT CHUNG

I.Tổng quan

Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên củatải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suấtcủa máy sản xuất Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cầnthiết và tất yếu đối với các máy sản xuất Như ta biết rằng hầu hết các máy sảnxuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà

ta lựa chọn các tốc độ khác nhau Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thểthay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơtruyền động chính…

Nhưng ở đây chúng ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơtruyền động.Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác Động cơ một chiều không những có khả năng điềuchỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lạc, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loạiđộng cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng

Do đông cơ một chiều rất quan trọng trong cuộc sống và rất phổ biến trongcuộc sống lên học kỳ này chúng em được làm đồ án ‘’ Điều khiển đông cơ 1 chiềubằng vi điều khiển’’ Có thể nói động cơ 1 chiều có vai trò rất lớn trong ngànhđiều khiển tự động

Để điều khiển được động cơ một chiều,hay nói cách khác là điều chỉnh tốc độđộng cơ điện một chiều thì có nhiều cách khác nhau như:

-Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng

Tuy nhiên như những cách trên thì việc điều khiển tốc độ động cơ trở lên khó khăn

và hiệu quả thấp Do vậy ở đây chúng êm sử dụng phương pháp điều xung (tứcthay đổi độ rộng xung), sử dụng vi điều khiển AT89C51, độ rộng xung càng lớnthì động cơ quay càng nhanh

Để điều khiển được động cơ theo phương pháp này thì cần nhiều bước khác nhau,

từ việc đi thiết lập phần cứng điều khiển đến cấu trúc chương trình điều khiển phảihợp logic Nếu việc thiết lập phần cứng và chương trình điều khiển không phù hợpnhau thì sẽ không điều khiển được động cơ

II Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là: tạo ra một mô hình điều khiển cho động cơ 1 chiều, môhình điều khiển này có thể làm mô hình thí nghiệm cho các sinh viên nghiên cứu

để tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như các phương pháp điều khiểnhoạt động cho động cơ Đặc biệt là việc điều khiển cho động cơ 1 chiều sử dụng viđiều khiển AT89C51

III.Phương pháp nghiên cứu

- Đưa ra ý tưởng thiết kế (ứng dụng vi điều khiển)

- Thiết kế mạch phần cứng điều khiển: kết nối vi điều khiển, điều khiểnhoạt động của động cơ

- Viết chương trình điều khiển

IV.Kết quả dự kiến

- Thứ nhất là tìm hiểu và biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động củađộng cơ điện một chiều

- Thứ hai là biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụngcủa các linh kiện điện tử

- Thứ ba là điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều dùng vi điềukhiển

- Thứ tư là có thể hiểu và lập trình thành thạo với vi điều khiển AT89C51

CHƯƠNG I TÌM HIỂU CHUNG VỀ VI XỬ LÝ AT8051 VÀ CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG

I Vi Điều Khiển AT89C51

1.1 Tìm hiểu về IC 89C51

Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trămbiến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kểđến các đại gia trong làng bán dẫn (Semiconductor) như ATMEL, TexasInstrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãngATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiệntrên thị trường khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại viđiều khiển 8 bit

1.1.1 Cấu trúc bus

Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 đường tín hiệu (thường gọi làbus địa chỉ 16 bit) Với số lượng bit địa chỉ như trên, không gian nhớ của chipđược mở rộng tối đa là 65536 địa chỉ, tương đương 64K Bus dữ liệu của họ viđiều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu (thường gọi là bus dữ liệu 8 bit), đó là lý dotại sao nói 8051 là họ vi điều khiển 8 bit Với độ rộng của bus dữ liệu như vậy, cácchip họ 8051 có thể xử lý các toán hạng 8 bit trong một chu kỳ lệnh

1.1.2 CPU (Central Processing Unit)

CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống vi điện tửđược tích hợp trên chip vi điều khiển CPU có cấu tạo chính gồm một đơn vị xử lý

số học và lôgic ALU (Arithmethic Logic Unit) - nơi thực hiện tất cả các phép toán

số học và phép lôgic cho quá trình xử lý

1.1.3 Bộ nhớ chương trình (Program Memory)

Không gian bộ nhớ chương trình của AT89 là 64K byte, tuy nhiên hầu hết các

vi điều khiển AT89 trên thị trường chỉ tích hợp sẵn trên chip một lượng bộ nhớchương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi trong không gian bộnhớ chương trình AT89C51/AT89S51 có 4K byte bộ nhớ chương trình loại Flashtích hợp sẵn bên trong chip Đây là bộ nhớ cho phép ghi/xóa nhiều lần bằng điện,chính vì thế cho phép người sử dụng thay đổi chương trình nhiều lần Số lầnghi/xóa được thường lên tới hàng vạn lần Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mãcủa chương trình nạp vào chip Mỗi lệnh được mã hóa bởi 1 hay vài byte, dunglượng của bộ nhớ chương trình phản ánh số lượng lệnh mà bộ nhớ có thể chứa

được Địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình (0x0000) chính là địa chỉ Resetcủa 8051 Ngay sau khi reset (do tắt bật nguồn, do mức điện áp tại chân RESET bịkéo lên 5V ),

CPU sẽ nhảy đến thực hiện lệnh đặt tại địa chỉ này trước tiên, luôn luôn là nhưvậy Phần còn trống trong không gian chương trình không dùng để làm gì cả Nếumuốn mở rộng bộ nhớ chương trình, ta phải dùng bộ nhớ chương trình bên ngoài

có dung lượng như ý muốn Tuy nhiên khi dùng bộ nhớ chương trình ngoài, bộnhớ chương trình onchip không dùng được nữa, bộ nhớ chương trình ngoài sẽchiếm dải địa chỉ ngay từ địa chỉ 0x0000

1.1.4 Bộ nhớ dữ liệu (Data Memory)

Vi điều khiển họ 8051 có không gian bộ nhớ dữ liệu là 64K địa chỉ, đó cũng làdung lượng bộ nhớ dữ liệu lớn nhất mà mỗi chip thuộc họ này có thể có được (nếuphối ghép một cách chính tắc, sử dụng các đường tín hiệu của bus địa chỉ và dữliệu) Bộ nhớ dữ liệu của các chip họ 8051 có thể thuộc một hay hai loại: SRAMhoặc EEPROM Bộ nhớ dữ liệu SRAM được tích hợp bên trong mọi chip thuộc họ

vi điều khiển này, có dung lượng khác nhau tùy loại chip, nhưng thường chỉkhoảng vài trăm byte Đây chính là nơi chứa các biến trung gian trong quá trìnhhoạt động của chip khi mất điện, do bản chất của SRAM mà giá trị của các biếnnày cũng bị mất theo Khi có điện trở lại, nội dung của các ô nhớ chứa các biếnnày cũng là bất kỳ, không thể xác định trước Bên cạnh bộ nhớ loại SRAM, một sốchip thuộc họ 8051 còn có thêm bộ nhớ dữ liệu loại EEPROM với dung lượng tối

đa vài Kbyte, tùytừng loại chip cụ thể Dưới đây là một vài ví dụ về bộ nhớchương trình của một số loại chip thông dụng thuộc họ 8051

Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 128 byte thì địa chỉ của các byte SRAM nàyđược đánh số từ 00h đến 7Fh Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 256 byte thì địachỉ của các byte SRAM được đánh số từ 00h đến FFh Ở cả hai loại chip, SRAM

có địa chỉ từ 00h đến 7Fh được gọi là vùng RAM thấp, phần có địa chỉ từ 80h đến

FFh (nếu có) được gọi là vùng RAM cao Bên cạnh các bộ nhớ, bên trong mỗichip 8051 còn có một tập hợp các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR – SpecialFunction Register) Các thanh ghi này lien quan đến hoạt động của các ngoại vionchip (các cổng vào ra, timer, ngắt ) Địa chỉ của chúng trùng với dải địa chỉcủa vùng SRAM cao, tức là cũng có địa chỉ từ 80h đến FFh

1.2 Các thanh nghi đặc biệt SFR

1.2.1 Cổng vào ra song song (I/O Port)

8051 có 4 cổng vào ra song song, có tên lần lượt là P0, P1, P2 và P3 Tất cả cáccổng này đều là cổng vào ra hai chiều 8bit Các bit của mỗi cổng là một chân trênchip, như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chip dùng cổng đó làm cổng ra hay cổngvào) là độc lập giữa các cổng và giữa các chân (các bit) trong cùng một cổng Ví

dụ, ta có thể định nghĩa cổng P0 là cổng ra, P1 là cổng vào hoặc ngược lại mộtcách tùy ý, với cả 2 cổng P2 và P3 còn lại cũng vậy Trong cùng một cổng P0, tacũng có thể định nghĩa chân P0.0 là cổng vào, P0.1 lại là cổng ra tùy ý

Cổng P0 không có điện trở treo cao (pullup resistor) bên trong, mạch lái tạomức cao chỉ có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/dữliệu Như vậy với chức năng ra thông thường, P0 là cổng ra open drain, với chứcnăng vào, P0 là cổng vào cao trở (high impedance) Nếu muốn sử dụng cổng P0làm cổng vào/ra thông thường, ta phải thêm điện trở pullup bên ngoài Giá trị điệntrở pullup bên ngoài thường từ 4K7 đến 10K

Các cổng P1, P2 và P3 đều có điện trở pullup bên trong, do đó có thể dùng vớichức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần có thêm điện trở pullup bênngoài Thực chất, điện trở pullup bên trong là các FET, không phải điện trở tuyếntính thông thường, tuy vậy nhưng khả năng phun dòng ra của mạch lái khi đầu ra ởmức cao (hoặc khi là đầu vào) rất nhỏ, chỉ khoảng 100 micro Ampe

1.2.2 Cổng vào ra nối tiếp (Serial Port)

Cổng nối tiếp trong 8051 chủ yếu được dùng trong các ứng dụng có yêu cầutruyền thông với máy tính, hoặc với một vi điều khiển khác Liên quan đến cổngnối tiếp chủ yếu có 2 thanh ghi: SCON và SBUF Ngoài ra, một thanh ghi khác làthanh ghi PCON (không đánh địa chỉ bit) có bit 7 tên là SMOD quy định tốc độtruyền của cổng nối tiếp có gấp đôi lên (SMOD = 1) hay không (SMOD = 0)

1.2.3 Ngắt (Interrupt)

8051 chỉ có một số lượng khá ít các nguồn ngắt (interrupt source) hoặc có thểgọi là các nguyên nhân ngắt Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng, đó là một địa chỉ

cố định nằm trong bộ nhớ chương trình, khi ngắt xảy ra, CPU sẽ tự động nhảy đếnthực hiện lệnh nằm tại địa chỉ này

Với 8052, ngoài các ngắt trên còn có thêm ngắt của timer2 (do vi điều khiển này

có thêm timer2 trong số các ngoại vi onchip) Mỗi ngắt được dành cho một vectorngắt kéo dài 8byte Về mặt lý thuyết, nếu chương trình đủ ngắn, mã tạo ra chứa đủtrong 8 byte, người lập trình hoàn toàn có thể đặt phần chương trình xử lý ngắtngay tại vector ngắt Tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp, chương trình xử lýngắt có dung lượng mã tạo ra lớn hơn 8byte nên tại vector ngắt, ta chỉ đặt lệnhnhảy tới chương trình xử lý ngắt nằm ở vùng nhớ khác Nếu không làm vậy, mãchương trình xử lý ngắt này sẽ lấn sang, đè vào vector ngắt kế cận

Để cho phép một ngắt, bit tương ứng với ngắt đó và bit EA phải được đặt bằng

1 Thanh ghi IE là thanh ghi đánh địa chỉ bit, do đó có thể dùng các lệnh tác độngbit để tác động riêng rẽ lên từng bit mà không làm ảnh hưởng đến giá trị các bitkhác Cờ ngắt hoạt động độc lập với việc cho phép ngắt, điều đó có nghĩa là cờngắt sẽ tự động đặt lên bằng 1 khi có sự kiện gây ngắt xảy ra, bất kể sự kiện đó cóđược cho phép ngắt hay không Do vậy, trước khi cho phép một ngắt, ta nên xóa

cờ của ngắt đó để đảm bảo sau khi cho phép, các sự kiện gây ngắt trong quá khứkhông thể gây ngắt nữa

8051 có 2 ngắt ngoài là INT0 và INT1 Ngắt ngoài được hiểu là ngắt đượcgây ra bởi sự kiện mức lôgic 0 (mức điện áp thấp, gần 0V) hoặc sườn xuống (sựchuyển mức điện áp từ mức cao về mức thấp) xảy ra ở chân ngắt tương ứng (P3.2với ngắt ngoài 0 và P3.3 với ngắt ngoài 1) Việc lựa chọn kiểu ngắt được thực hiệnbằng các bit IT (Interrupt Type) nằm trong thanh ghi TCON Đây là thanh ghi điềukhiển timer nhưng 4 bit LSB (bit0 3) được dùng cho các ngắt ngoài

Khi bit ITx = 1 thì ngắt ngoài tương ứng được chọn kiểu là ngắt theo sườnxuống, ngược lại nếu bit ITx = 0 thì ngắt ngoài tương ứng được sẽ có kiểu ngắt làngắt theo mức thấp Các bit IE là các bit cờ ngắt ngoài, chỉ có tác dụng trongtrường hợp kiểu ngắt được chọn là ngắt theo sườn xuống Khi kiểu ngắt theo sườnxuống được chọn thì ngắt sẽ xảy ra duy nhất một lần khi có sườn xuống của tínhiệu, sau đó khi tín hiệu ở mức thấp, hoặc có sườn lên, hoặc ở mức cao thì cũngkhông có ngắt xảy ra nữa cho đến khi có sườn xuống tiếp theo Cờ ngắt IE sẽ dựnglên khi có sườn xuống và tự động bị xóa khi CPU bắt đầu xử lý ngắt Khi kiểungắt theo mức thấp được chọn thì ngắt sẽ xảy ra bất cứ khi nào tín hiệu tại chânngắt ở mức thấp Nếu sau khi xử lý xong ngắt mà tín hiệu vẫn ở mức thấp thì lạingắt tiếp, cứ như vậy cho đến khi xử lý xong ngắt lần thứ n , tín hiệu đã lên mức

cao rồi thì thôi không ngắt nữa Cờ ngắt IE trong trường hợp này không có ý nghĩa

gì cả.Thông thường kiểu ngắt hay được chọn là ngắt theo sườn xuống

1.2.4 Bộ định thời/Bộ đếm (Timer/Counter)

8051 có 2 timer tên là timer0 và timer1 Các timer này đều là timer 16bit, giátrịđếm max do đó bằng 65536 (đếm từ 0 đến 65535) Hai timer có nguyên lý hoạtđộng hoàn toàn giống nhau và độc lập Sau khi cho phép chạy, mỗi khi có thêmmột xung tại đầu vào đếm, giá trị của timer sẽ tự động được tăng lên 1 đơn vị, cứnhư vậy cho đến khi giá trị tăng lên vượt quá giá trị max mà thanh ghi đếm có thểbiểu diễn thì giá trị đếm lại được đưa trở về giá trị min (thông thường min = 0) Sựkiện này được hiểu là sự kiện tràn timer (overflow) và có thể gây ra ngắt nếu ngắttràn timer được cho phép (bit ETx trong thanh ghi IE = 1) Việc cho timerchạy/dừng được thực hiện bởi các bit TR trong thanh ghi TCON (đánh địa chỉ đếntừng bit)

Khi bit TRx = 1, timerx sẽ đếm, ngược lại khi TRx = 0, timerx sẽ không đếmmặc dù vẫn có xung đưa vào Khi dừng không đếm, giá trị của timer được giữnguyên Các bit TFx là các cờ báo tràn timer, khi sự kiện tràn timer xảy ra, cờ sẽđược tự động đặt lên bằng 1 và nếu ngắt tràn timer được cho phép, ngắt sẽ xảy ra.Khi CPU xử lý ngắt tràn timerx, cờ ngắt TFx tương ứng sẽ tự động được xóa về 0.Giá trị đếm 16bit của timerx được lưu trong hai thanh ghi THx (byte cao) và TLx(byte thấp) Hai thanh ghi này có thể ghi/đọc được bất kỳ lúc nào Tuy nhiên nhàsản xuất khuyến cáo rằng nên dừng timer (cho bit TRx = 0) trước khi ghi/đọc cácthanh ghi chứa giá trị đếm Các timer có thể hoạt động theo nhiều chế độ, đượcquy định bởi các bit trong thanh ghi TMOD (không đánh địa chỉ đến từng bit)

Để xác định thời gian, người ta chọn nguồn xung nhịp (clock) đưa vào đếmtrong timer là xung nhịp bên trong (dành cho CPU) Nguồn xung nhịp này thườngrất đều đặn (có tần số ổn định), do đó từ số đếm của timer người ta có thể nhân vớichu kỳ xung nhịp để tính ra thời gian trôi qua Timer lúc này được gọi chính xácvới cái tên “timer”, tức bộ định thời Để đếm các sự kiện bên ngoài, người ta chọnnguồn xung nhịp đưa vào đếm trong timer là tín hiệu từ bên ngoài (đã được chuẩnhóa về dạng xung vuông 0V/5V) Các tín hiệu này sẽ được nối với các bit cổng códồn kênh thêm các tính năng T0/T1/T2 Khi có sự kiện bên ngoài gây ra thay đổimức xung ở đầu vào đếm, timer sẽ tự động tăng lên 1 đơn vị giống như trường hợpđếm xung nhịp bên trong Lúc này, timer được gọi chính xác với cái tên khác:

“counter”, tức bộ đếm (sự kiện) Nhìn vào bảng mô tả thanh ghi TMOD bên trên,

ta có thể nhận thấy có 2 bộ 4 bit giống nhau (gồm GATEx, C/Tx, Mx0 và Mx1)dành cho 2 timer0 và 1 Ý nghĩa các bit là như nhau đối với mỗi timer

Bit GATEx quy định việc cho phép timer đếm (run timer) Nếu GATEx =0,timerx sẽ đếm khi bit TRx bằng 1, dừng khi bit TRx bằng 0 Nếu GATEx = 1,timerx sẽ chỉ đếm khi bit TRx = 1 và tín hiệu tại chân INTx = 1, dừng khi mộttrong hai điều kiện trên không còn thỏa mãn Thông thường người ta dùng timervới GATE = 0, chỉ dùng timer với GATE = 1 trong trường hợp muốn đo độ rộngxung vì lúc đó timer sẽ chỉ đếm thời gian khi xung đưa vào chân INTx ở mức cao.Bit C/Tx quy định nguồn clock đưa vào đếm trong timer Nếu C/Tx = 0, timer sẽđược cấu hình là bộ định thời, nếu C/Tx = 1, timer sẽ được cấu hình là bộ đếm sựkiện Hai bit còn lại (Mx0 và Mx1) tạo ra 4 tổ hợp các giá trị (00,01,10 và 11) ứngvới 4 chế độ hoạt động khác nhau của timerx Trong 4 chế độ đó thường chỉ dùngchế độ timer/counter 16bit (Mx1 = 0, Mx0 = 1) và chế độ Auto Reload 8bittimer/counter (Mx1 = 1, Mx0 = 0).Trong chế độ timer/counter 16bit, giá trị đếm(chứa trong hai thanh ghi THx và TLx) tự động được tăng lên 1 đơn vị mỗi lầnnhận được thêm một xung nhịp Khi giá trị đếm tăng vượt quá giá trị max = 65535thì sẽ tràn về 0, cờ ngắt TFx được tự động đặt = 1 Chế độ này được dùng trongcác ứng dụng đếm thời gian và đếm sự kiện Trong chế độ Auto Reload 8bit, giátrị đếm sẽ chỉ được chứa trong thanh ghi TLx, còn giá trị của thanh ghi THx bằngmột số n (từ 0 đến 255) do người lập trình đưa vào Khi có thêm 1 xung nhịp, giátrị đếm trong TLx đương nhiên cũng tăng lên 1 đơn vị như bình thường Tuy nhiêntrong trường hợp này, giá trị đếm lớn nhất là 255 chứ không phải 65535 nhưtrường hợp trên vì timer/counter chỉ còn 8bit Do vậy sự kiện tràn lúc này xảy ranhanh hơn, chỉ cần vượt quá 255 là giá trị đếm sẽ tràn Cờ ngắt TFx vẫn được tựđộng đặt = 1 như trong trường hợp tràn 16bit Điểm khác biệt là thay vì tràn về 0,giá trị THx sẽ được tự động nạp lại (Auto Reload) vào thanh ghi TLx, do đó timer/counter sau khi tràn sẽ có giá trị bằng n (giá trị chứa trong THx) và sẽ đếm từ giátrị n trở đi Chế độ này được dùng trong việc tạo Baud rate cho truyền thông quacổng nối tiếp Để sử dụng timer của 8051, hãy thực hiện các bước sau:

- Quy định chế độ hoạt động cho timer bằng cách tính toán và ghi giá trị cho cácbit trong thanh ghi TMOD

- Ghi giá trị đếm khởi đầu mong muốn vào 2 thanh ghi đếm THx và TLx Đôikhi ta không muốn timer/counter bắt đầu đếm từ 0 mà từ một giá trị nào đó để thờiđiểm tràn gần hơn, hoặc chẵn hơn trong tính toán sau này Ví dụ nếu cho timerđếm từ 15535 thì sau 50000 xung nhịp (tức 50000 micro giây với thạch anh12MHz) timer sẽ tràn, và thời gian một giây có thể dễ dàng tính ra khá chính xác =

20 lần tràn của timer (đương nhiên mỗi lần tràn lại phải nạp lại giá trị 15535)

- Đặt mức ưu tiên ngắt và cho phép ngắt tràn timer (nếu muốn)

- Dùng bit TRx trong thanh ghi TCON để cho timer chạy hay dừng theo ý muốn.

II Động cơ điện một chiều.

2.1 Khái niệm động cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều

Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng

Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèmtheo hoặc bộ chỉnh lưu

Cấu tạo:

Gồm hai phần: - phần đứng yên (gọi là phần tĩnh )

- phần chuyển động (gọi là phần quay )

2.2- Cấu tạo của động cơ điện một chiều.

a- Cực từ chính

Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từlồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điệnhay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ cóthể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dâyquấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên cáccực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp vớinhau

b- Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều.Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ cóđặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắnvào vỏ máy nhờ những bulông.

c- Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trongmáy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng ganglàm vỏ máy

d- Các bộ phận khác

Bao gồm:

- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dâyquấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắpmáy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thườnglàm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổithan bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổgóp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giáchổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khiđiều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

2.2.2- Phần quay( roto ).

Là phần sinh ra suất điện động Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệusắt từ ( lá thép kĩ thuật ) xếp lại với nhau Trên mạch từ có xẻ rãnh đẻ lồng dâyquấn phần ứng (làm bằng dây điện từ )

Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bôi dây nối vơi nhau theo một qui luật nhấtđịnh Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối vớicác phiến đồng gọi là phiến góp

Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục gọi

là cổ góp hay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo

a- Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mmphủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáygây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấnvào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thônggió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành nhữngđoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khimáy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vàotrục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto

có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

b- Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điệnchạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diệntròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấnđược cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để

đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit

c- Cổ góp

Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều Cổ góp gồmnhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hìnhchữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôivành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và cácphiến góp được dễ dàng

2.3- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng :

Lõi thép

Chổi than Trục

Cổ góp Mạch roto

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ

góp của phần ứng Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng cóđiện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làmrôto quay Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau

Do có phiếu góp nhiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng khôngthay đổi

Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiềucủa suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ một chiếusđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động .Phương trình cân bằng điện áp :

U = E ư + R ư I ư +I ư

di ­ dt

2.4- Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là quan hệ giữa tốc độ quay vàmômen quay của động cơ:

 = f(M) hoặc n = f(M)

trong đó :  - tốc độ góc(rad/s)

n - tốc độ quay (v/ph)

đm ntđm

o 0

0

Mđm 0 M 0 Mđm 0

0

o 0

a)Đặc tính cơ tự nhiên b) Đặc tính cơ nhân tạo

Có hai loại đặc tính cơ : đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính

M – momen(Nm)

2.5- Phân loại

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗi cách ta có các loại động cơ điện loại:

Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng :

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện một chiều kích từ song song.

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

2.5.1- Kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất ko đủ lớn, mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên :