ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỘNG CƠ DC

Động cơ DC 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. Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống .

Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh A. LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu về động cơ DC Động cơ DC 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 Trang 1 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh 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. Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống . 1.1. Cấu Tạo của Động Cơ: Một động cơ DC có 6 phần cơ bản: – Phần ứng hay Rotor (Armature). – Cổ góp (Commutat). – Chổi than (Brushes). – Trục motor (Axle). – Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet). – Bộ phận cung cấp dòng điện DC. Hình 1. Động cơ DC Trang 2 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh 1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ DC: Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rô to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính. Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to. 1.3. Hàm truyền của động cơ: 1.3.1. Phương pháp xấp xỉ hàm truyền bậc nhất Để tìm hàm truyền ta tìm đáp ứng xung của động cơ. Ta đặt áp bằng áp định mức vào động cơ và vẽ đồ thị vận tốc theo thời gian. Vì thời gian lấy mẫu vận tốc nhỏ do đó ta không thấy được các điểm uốn của đồ thị, do đó ở đây ta dùng xấp xỉ hàm truyền động cơ là khâu quán tính bậc 1 có dạng như sau: Đáp ứng xung của động cơ: Biến đổi Laplace ngược ta được: Khi t = T, v = kU(1 – e -1 ) = 0.63kU = 0.63v max Vậy trên đồ thị ta xác định điểm tại đó v = 0.63v max sau đó tìm được T. Trang 3 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 2: Xác định hàm truyền bằng phương pháp xấp xỉ 1.3.2. Phương pháp tìm hàm truyền động cơ bằng Ziegler-Nichols Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như hình dưới, ví dụ như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ… Trang 4 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 3: Xác định hàm truyền bằng Ziegler-Nichols Thông số bộ điều khiển P, PI, PID được chọn như sau: Bảng 1: Chọn thông số PID theo cách 1 Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín ở biên giới ổn định , áp dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, ví dụ như hệ bồn nước, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… - Tăng dần giá trị hệ số khuyếch đại K của hệ kín đến giá trị giới hạn Kgh ( Nghĩa là giá trị lớn nhất để hệ thống vẫn còn ổn định , nếu tăng thêm nữa thì hệ thống sẽ mất ổn định). Lúc đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định với chu kỳ Tgh. Trang 5 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 4: Đáp ứng của hệ kín Thông số bộ điều khiển P, PI, PID được chọn như sau: Bảng 2: Chọn thông số PID theo cách 2 2. Encoder 2.1. Nguyên lý hoạt động Có nhiều loại encoder khác nhau như: Encoder tiếp xúc, Encoder từ trường, Encoder quang (Encoder quang tương đối và Encoder quang tuyệt đối). Trang 6 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Mỗi loại lại có một nguyên lý hoạt động khác nhau, trong khuôn khổ báo cáo đồ án chỉ trình bày phần nguyên lý loại encoder sử dụng là Encoder quang tương đối ( incremental encoder). Hình 5: Encoder Incremental encoder về cơ bản là một đĩa tròn quay quanh một trục được đục lỗ như hình trên. Trang 7 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 6: Phương thức hoạt động Encoder quang tương đối Ở 2 bên mặt của cái đĩa tròn đó, sẽ có một bộ thu phát quang. Trong quá trình encoder quay quanh trục, nếu gặp lỗ rống thì ánh sáng chiếu qua được, nếu gặp mành chắn thì tia sáng không chiếu quá được. Do đó tín hiệu nhận được từ sensor quang là một chuỗi xung. Mỗi encoder được chế tạo sẽ biết sẵn số xung trên một vòng. Do đó ta có thể dùng vi điều khiển đếm số xung đó trong một đơn vị thời gian và tính ra tốc độ động cơ. Encoder sử dụng trong đồ án hoàn toàn giống với mô hình ở trên. 2.2. Cách tính tốc độ động sơ sử dụng trong đồ án Ở đồ án động cơ được gắn Encoder 200 xung/vòng. Kênh xung A được đưa vào chân ngắt của VĐK là RB0. Kênh xung B được đưa vào chân RB4. Ta thiết lập khi có sườn lên thì tạo ngắt. Cách tính tốc độ : Tốc độ = (soxung*60)/(200*T) Ở đây: - T: là chu kỳ trích mẫu - soxung: là số xung đếm được trong khoảng thời gian T 2.3. Xác định chiều quay Trang 8 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Để xác định chiều quay của động cơ DC, các bạn sẽ dựa vào 2 xung encoder A và B. Dưới đây là xung ra từ kênh A và B: Hình 7 : Giản đồ xung Nhìn trên hình vẽ ta thấy: - Nhìn từ trái sang (động cơ quay thuận): khi xung kênh A có cạnh xuống thì xung kênh B đang ở mức thấp. - Nhìn từ phải sang (động cơ quay nghịch): khi xung kênh A có cạnh xuống thì xung kênh B đang ở mức cao. Vậy để xác định chiều động cơ, bạn chỉ cần nối kênh B vào 1 chân I/O và cấu hình là đầu IN. Trong trình phục vụ ngắt ngoài khi có cạnh xuống của xung kênh A, bạn xét trạng thái chân I/O đấy và đưa ra kết luận về chiều quay động cơ. 3. Vi điều khiển PIC 16F887 Trang 9 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 8. Một số thông số cơ bản của PIC 16F887. Một số đặc điểm cơ bản của PIC 16F887: • Độ chính xác dao động nội:Sai số ± 1%. • Dải tần số hoạt động 8 MHz đến 31 kHz. • Phần mềm có thể điều hướng. • Hai chế độ tốc độ khởi động. • Thạch anh không được dùng cho các ứng dụng quan trọng. Trang 10 [...]... tới 10 KHz) Trang 31 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Chức năng: đưa tín hiệu điều khiển để đảo chiều động cơ Có tác dụng đưa tín hiệu dừng động cơ khẩn cấp cho mạch động lực Trang 32 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Nguyên lý hoạt động của mạch động lực: - Tín hiệu PWM được đưa vào mạch động lực kết hợp với chiều quay điều khiển sẽ cho phép một trong hai IC IR2184 hoạt động Tác động đến 2 cặp Mosfet... trị Kp gây ra dao động Trang 28 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh B THIẾT KẾ THI CÔNG 1 Phần cứng 1.1 Mạch nguồn Trang 29 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Tạo nguồn 5v cấp cho vi điều khiển, nguồn 12v cho động cơ Cách ly nguồn cho mạch động lực và động cơ 1.2 Mạch giao tiếp máy tính Trang 30 Đồ án 2B 1.3 GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Mạch công suất Cách ly xung PWM được đưa vào mạch động lực thông qua... ứng =J/B Hằng số thời gian cơ Vậy ta có mô hình hệ thống như sau: Hình 15: Mô hình hệ thống động cơ điện DC Trang 24 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Khi momen tải bằng 0, ta có: n( p ) = U a ( p ) 1 2πBRa (τ a p + 1)(τ m p + 1) + K v Φ Kt Φ Vậy hàm truyền của động cơ lúc này có dạng khâu dao động 5.2 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID 5.2.1 Thuật toán PID G = K p + K i ∫ e(τ... IR2184 hoạt động Tác động đến 2 cặp Mosfet IRF 3205 làm cho động cơ quay thuận hoặc - quay nghịch Nếu tín hiệu điều khiển được đưa vào chân SD của IR 2184 ở mức thấp thì động cơ dừng Trang 33 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh 2 Phần mềm 2.1 Giao diện Visual Basic 2010 2.2 Lưu đồ thuật toán Trang 34 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Trang 35 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Trang 36 ... và ADRESL Trang 18 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 12: Định dạng kết quả chuyển đổi 10 bit ADC Các thanh ghi cần xem xét để điều khiển chuyển đổi ADC: ADCON0, ADCON1, ADRESH, ADRESL Các bước để thực hiện chuyển đổi ADC: 1.Cấu hình port: • Vô hiệu hoá điều khiển các chân ngõ ra (xem thanh ghi tris) • Cấu hình pin như tương tự 2 Cấu hình module ADC: • Chọn xung chuyển đổi ADC • Cấu hình điện... điện áp tham chiếu • Chọn kênh đầu vào ADC • Chọn định dạng kết quả • Bật module ADC Trang 19 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh 3 Cấu hình ngắt ADC (tùy chọn): • Xóa cờ ngắt ADC • Cho phép ngắt ADC • Cho phép ngắt thiết bị ngoại vi • Cho phép ngắt cục bộ 4 Chờ thời gian thu nhận bắt buộc 5 Bắt đầu chuyển đổi bằng cách thiết lập bit GO/DONE 6 Chờ cho chuyển đổi ADC hoàn thành để thực hiện một trong những... kết quả ADC (ADRESL và ADRESH) Các tham chiếu điện áp ADC có thể được lựa chọn lấy từ bên trong hay bên ngoài Bộ ADC có thể tạo ra một ngắt sau khi hoàn thành chuyển đổi Ngắt này có thể được sử dụng để đánh thức thiết bị đang ngủ Khi cấu hình và sử dụng ADC ta cần phải xem xét các chức năng sau đây: • Cấu hình các port • Chọn lựa kênh • Lựa chọn điện áp ADC tham chiếu • Nguồn xung chuyển đổi ADC • Điều... kỳ nhiệm vụ PWM Điều này là cần thiết cho PWM hoạt động 8 bit bộ đếm thanh ghi thời gian TMR2 được nối với hoặc là 2 bit nội hệ thống đồng hồ (FOSC), hoặc 2 bit hệ số chia trước để tạo ra 10 bit thời gian cơ bản Đồng hồ hệ thống được sử dụng nếu hệ số chia trước Timer2 được thiết lập là 1: 1 Trang 13 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Khi thời gian cơ sở có 10 bit khớp với CCPRxH và 2 bit chốt thì chân... giới ổn định (dao động với biên độ và chu kì không đổi), tại đây ta xác định được Kgh và Tgh sau đó tính các thông số khác tùy theo bộ điều khiển như bảng trên Ki = Kp/Ti Kd = Kp.Td Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh và quan sát đáp ứng của động cơ, đồ án này đã xây dựng chương trình viết bằng VB trên máy tính để giao tiếp với mạch điều khiển 5.2.3 Phương pháp thử sai Trang 27 Đồ án 2B GVHD: Trần... đổi ADC hoàn thành để thực hiện một trong những việc sau đây: • Polling bit GO / DONE • Chờ cho ngắt của ADC (cho phép các ngắt) 7 Đọc kết quả ADC 8 Xóa cờ ngắt ADC (được yêu cầu nếu ngắt được cho phép) Trang 20 Đồ án 2B GVHD: Trần Thị Hoàng Oanh Hình 13: Một đoạn mã lập trình ví dụ cho chuyển đổi ADC 4 Giao tiếp máy tính Cổng nối tiếp của máy tính là cổng COM (Comunication Port) để giao tiếp dữ liệu