đồ án nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều

Động cơ 1 chiều có nhiều ứng dụng trong điều khiển và sản xuất nhất là trong công nghiệp. Trong đó đó đòi hỏi là động cơ phải có nhiều cấp tốc độ có thể tăng giảm dễ dàng. Với sự ra đời và phát triển của vi xử lý thì vấn đề điều khiển động cơ 1 chiều không còn là vấn đề khó khăn nữa. Động cơ có thể điều khiển với nhiều cấp tốc độ khác nhau và điều khiển dừng, đảo chiều , nhanh chậm dễ dàng được. Vi xử lý 8501 là loại dòng vi xử lý khá là thông dụng đã có mặt từ rất lâu và được ứng dụng vào nhiều các thiết bị điều khiển hay tự động hóa. Nên việc điều khiển động cơ 1 chiều với dòng vi xử lý này là 1 phương pháp tối ưu và kinh tế đối với bài toán điều khiển động cơ DC ngày nay. Trên cơ sở những kiến thức đã học từ môn vi xử lý.em đã thực hiện đề tài : nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều

LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2 1. 1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều: 2 1.2.1 Phần tĩnh (stator) 3 1.2.2 Phần quay (rotor) 3 1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: 4 1.5 Phương trình đặc tính cơ: 6 1.6. Giới thiệu về động cơ DC 6 CHƯƠNG 2:GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 8051 8 2.2. Port 0 ( P0.0- P0.7) 8 2.3. Port 1 ( P1.0- P1.7) 9 2.4. Port 2 (P2.0-P2.7) 9 2.5. Port 3 (P3.0- P3.7) 9 2.6. Chân /PSEN ( Program store Enable) 10 2.7. Chân ALE (Address Latch Enable) 10 2.8. Chân /EA (External Access) 10 2.9. RST (Reset), VCC, GND 10 2.10. XTAL1, XTAL2 10 CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH 14 4.2 Chương trình : 15 4.3 Một số hình ảnh trong quá trình làm mạch 19 4.4. linh kiện sử dụng trong mạch 21 4.5.Ứng dụng và phương hướng phát triển 21 1.Ứng dụng 21 2.Phương hướng phát triển 22 KẾT LUẬN 24 1 LỜI NÓI ĐẦU Động cơ 1 chiều có nhiều ứng dụng trong điều khiển và sản xuất nhất là trong công nghiệp. Trong đó đó đòi hỏi là động cơ phải có nhiều cấp tốc độ có thể tăng giảm dễ dàng. Với sự ra đời và phát triển của vi xử lý thì vấn đề điều khiển động cơ 1 chiều không còn là vấn đề khó khăn nữa. Động cơ có thể điều khiển với nhiều cấp tốc độ khác nhau và điều khiển dừng, đảo chiều , nhanh chậm dễ dàng được. Vi xử lý 8501 là loại dòng vi xử lý khá là thông dụng đã có mặt từ rất lâu và được ứng dụng vào nhiều các thiết bị điều khiển hay tự động hóa. Nên việc điều khiển động cơ 1 chiều với dòng vi xử lý này là 1 phương pháp tối ưu và kinh tế đối với bài toán điều khiển động cơ DC ngày nay. Trên cơ sở những kiến thức đã học từ môn vi xử lý.em đã thực hiện đề tài : nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều Em cám ơn thầy Trần Văn Thoan đã hướng dẫn em làm đề tài này. CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. 1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều: 2 Như chúng ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc động cơ điện. Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng. Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Động cơ điện một chiều gồm những loại sau đây: - 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. 1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor) 1.2.1 Phần tĩnh (stator) Gồm các phần chính sau: a. Cực từ chính:Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện. Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. b. Cực từ phụ : Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều c. Gông từ:Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. d. Các bộ phận khác - Nắp máy - Cơ cấu chổi than. 1.2.2 Phần quay (rotor) Gồm các bộ phận sau: a. Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào b. Dây quấn phần ứng: 3 Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép. c. Cổ góp: Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. d. 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 bi. Trục máy thường làm bằng thép Cacbon tốt. 1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: A B Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện I ư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ F đt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động E ư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải. 4 + - I F F a b c d I n ®t ®t Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên E ư còn gọi là sức phản điện động. Phương trình cân bằng điện áp: U= E ư +R ư .I ư Trong đó: R ư : điện trở phần ứng I ư : dòng điện phần ứng E ư : sức điện động Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ. Hình1.2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 1.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ. Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ định mức với đặc tính cơ tự nhiên (M đm , w đm ). Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β được tính như sau ω β ∆ ∆ =∆ M β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng. đặc tính cơ tuyệt đối cứng. 5 KT U  + - E + - U I I KT KT 1.5 Phương trình đặc tính cơ: Trường hợp R f = 0: U= E + I ư .R ư (1) Trong đó; E= K e . Φ .n (2) K e = a np 60 . : hệ số sức điện động của động cơ a: số mạch nhánh song song của cuộn dây K= π a np 2 . : hệ số cấu tạo của động cơ ω : tốc độ góc tính bằng rad/s p: số đôi cực chính N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. Thế (2) vào (1) ta có: ω = u uu I K R K U φφ − (3) Hoặc: n= u e u e u I K R K U φφ − (4) Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(I ư ) gọi là phương trình đặc tính cơ điện. Mặt khác: M= M= K.Ф.I ư (5): là mômen điện từ của động cơ. Suy ra: n= M KK R K U e u e u . Φ − φφ là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. Hoặc: ω = M K R K U uu 2 ).( . φ φ − = ωω ∆− 0 trong đó: ω 0 : tốc độ không tải lý tưởng ω ∆ : độ sụt tốc độ 1.6. Giới thiệu về động cơ DC - Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ 6 trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua. - Hình ảnh về động cơ DC Hình 1.3: Động cơ DC => Các thông số của động cơ: - Điện áp cung cấp cho động cơ DC: 12VDC. - Tốc độ tối đa 1450 vòng/phút. => Phương pháp điều khiển: Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp cấp vào cho động cơ. 7 CHƯƠNG 2:GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 8051 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. 2.1 Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051 Hình 2.1: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051 2.2. 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) Hình 2.2: Sơ đồ chân Port 0 8 2.3. 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. Hình 2.3: Sơ đồ chân Port 1 2.4. Port 2 (P2.0-P2.7) Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng. Hình 2.4: Sơ đồ chân Port 2 2.5. 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. 9 2.6. 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 trong thời gian đọc mã lệnh . Mã lệnh 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. 2.7. 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). 2.8. 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 . 2.9. RST (Reset), VCC, GND 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 . 8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp qua chân 20 và 40. 2.10. 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 5: Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh 10 [...]... 4.5.Ứng dụng và phương hướng phát triển 1.Ứng dụng Mạch đo và điều khiển tốc độ động cơ dùng để xác định tốc độ động cơ một chiều từ đó Có thể: - Biết tình trạng hoạt động của động cơ. phát hiện động cơ có chạy theo đúng thiết kế ban đầu không →biết được động cơ có bị hỏng hóc hay không 21 - Điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu tốc độ đã định sẵn - Giúp người vận hành thiết bị có thêm một công cụ quan... đúng yêu cầu của bài ra : Quay thuận, quay nghịch, tăng tốc, giảm tốc, dừng Đây chỉ là mô hình và nguyên lý điều khiển động cơ 1 chiều Mạch trên chỉ điều khiển được động cơ công suất nhỏ không điều khiển được động cơ công suất lớn Để điều khiển được động cơ công suất lớn thì cần phải có mạch công suất khác Một lần nữa xin cám ơn thầy : Trần Văn Thoan đã giúp em thực hiện đề tài này TÀI LIỆU THAM KHẢO... PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Có rất nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều, nhưng trong khuôn khổ đồ án tích hợp mức 1 này chúng em chỉ đề cập đến phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điều chế xung PWM 3.1.Phương pháp điều chế xung PWM Để điều khiển tốc độ động cơ DC người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có một phương pháp hết sức quan trọng và thông... pháp được thực hiện theo phương pháp đóng ngắt nguồn có tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt Phần tử thực hiện nhiệm vụ đóng cắt là các van bán dẫn Sơ đồ nguyên lý điều khiển tải dùng PWM: Hình 3.2 Sơ đồ mạch và sơ đồ xung của điều chế PWM Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển * Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van... ra→vận hành thiết bị được tốt hơn Trong các thiết bị sản xuất,dân dụng cần hoạt động với tốc độ ổn định 2.Phương hướng phát triển Từ những ứng dụng thực tế đó mà các thiết bị đo tốc độ ngày càng được quan tâm phát triển.có mặt trong hàng loạt các ngành khoa học,trong san xuất công nghiệp và cuộc sống hàng ngày 22 23 KẾT LUẬN Sau 1 thời gian tìm hiểu và làm bài tập thì bài tập điều khiển động cơ 1 chiều đã... Chương trình này đã được kiểm tra trên mô phỏng phần mền Protues 16 Sơ đồ khối toàn mạch 17 Mạch mô phỏng proteus Sơ đồ mạch boad 18 Sơ đồ bố trí linh kiện 4.3 Một số hình ảnh trong quá trình làm mạch Hình 1 :Sau khi là mạch 19 Hình 2: Sau khi ngâm bột sắt Hình 3: hàn mạch 20 Hình 4: hoàn thiện sản phẩm 4.4 linh kiện sử dụng trong mạch stt Tên linh kiện 1 Ic 89c51 2 Công tắc 3 led 4 relay 5 Trở thanh... pháp điều chế độ rộng xung kích (PWM) 3.1.1 .Điều chế PWM là gì ? Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung kích để điều khiển linh kiện đóng ngắt (SCR hay Transistor) dẫn tới thay đổi điện áp ra tải Đồ thị dạng xung điều chế PWM: Hình 3.1 Đồ thị dạng xung điều. .. tảilà: +Ud=12.20%=2.4V(vớiD=20%) +Ud=12.40%=4.8V(VớiD=40%) + Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 13 CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH Do yêu cầu của bài toán ứng dụng trên thực tế là khi nhấn nút thì động cơ chuyển tác động tương ứng với các chế độ : Stop, thuận , nghịch , tăng , giảm 4.1 Lưu đồ chương trình 14 4.2 Chương trình : #include sbit Dung = P1^0; sbit Thuan = P1^1; sbit Nguoc... T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa 12 + Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải Ta có công thức tính điện áp trung bình trên tải: => Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện... http://123doc.org/document/115503-cac-phuong-phap-dieu-khien-toc-do-dongco-dien-1-chieu.htm • http://d.violet.vn/uploads/resources/170/256206/PWM%20Methods.pdf • http://arduino.vn/bai-viet/298-tong-quan-ve-cach-lam-mach-bang-phuongphap-ui-thu-cong • cùng một số tài liệu tham khảo giảng viển hướng dẫn cung cấp 24 . vụ đóng cắt là các van bán dẫn. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tải dùng PWM: Hình 3.2 Sơ đồ mạch và sơ đồ xung của điều chế PWM Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển. *. 2.3: Sơ đồ chân Port 1 2.4. Port 2 (P2.0-P2.7) Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng. Hình 2.4: Sơ đồ chân. là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β được tính