Điều khiển động cơ DC servo

Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết chúng em xin cảm ơn Khoa Kỹ Thuật – Công nghệ đã tạo điều kiện để chúng em có thể cọ xát với thực tế cũng như đánh giá được năng lực và trình độ của bản thân mình. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy VŨ THẾ ĐẢNG đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Và chúng em cũng xin gửi đến các Thầy Cô, bạn bè, và đồng nghiệp đã chân tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Bình Dương, tháng 05 năm 2012. Sinh viên thực hiện . Lê Duy Tân Võ Duy Khánh Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 2 LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Bình Dương, ngày tháng năm 2012 Ký tên Vũ Thế Đảng Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 3 LỜI NÓI ĐẦU 4 PHẦN GIỚI THIỆU 5 Chương I. Đặt vấn đề 5 1. Tình hình nghiên cứu 5 2. Công việc thực tế của đồ án 5 3. Sơ đồ khảo sát, mô tả thực tế 6 PHẦN NỘI DUNG 7 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 7 A. PHẦN CỨNG 7 I. VI ĐIỀU KHIỂN 7 Tổng quan về vi điều khiển AT89S52 7 II. CÁC THIẾT BỊ KHÁC TRONG MẠCH 20 2.1. Động cơ bước: 20 2.2. Optical encoder: 22 2.3. IC L298: 23 2.4. IC tạo ổn áp 7805( IC ổn áp 5v) 24 B. PHẦN MỀM 26 1. Phần mềm mô phỏng mạch: Phần mềm Proteus 7 Professional 26 2. Phần mềm lập trình: KeilC compiler 27 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TỔNG QUÁT PHẦN CỨNG 28 I. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 28 1. Sơ đồ khối tổng quát 28 2. Sơ lược chức năng của từng khối 28 2.1. Khối nguồn 28 2.2. Khối Reset 29 2.3. Khối điều khiển: 29 2.4. Khối tạo xung dao động: Sử dụng thạch anh 12MHz 30 2.5. Khối điều khiển trung tâm 30 2.6. Khối hiện thị LCD 30 2.7. Khối khuếch đại công suất 31 2.8. Khối chấp hành: động cơ DC 31 II. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 32 1. Sơ đồ giải thuật của chương trình 32 2. Code lập trình cho vi điều khiển 35 3. Nguyên lý hoạt động của mạch 35 4. Sơ đồ mạch in 36 5. Board mạch hoàn chỉnh 37 PHẦN 3. KẾT LUẬN 38 I. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC. 38 II. HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI: 38 III. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 4 LỜI NÓI ĐẦU Công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang diễn ra theo sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật. Trước tình hình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng có những thách thức đặt ra cho giới trí thức . Điện tử và đặc biệt là vi xử lý là một lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu và từng bước phát triển để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động . Do vậy là sinh viên với chuyên ngành kỹ thuật điện tử cần phải nắm vững kiến thức và kĩ năng từ đơn giản đến phức tạp như trong các hệ thống điều khiển đóng mở cửa xe hơi, máy bay, robot, Rèn luyện kĩ năng lập trình trên các hệ thống sử dụng vi điều khiển trong các hệ thống công nghiệp và các ứng dụng trong sinh hoạt và sản xuất. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức chúng em còn hạn chế nên không tránh khỏi sự thiếu sót, mong Thầy Cô và các bạn thông cảm. Em xin chân thành cảm ơn ! Bình Dương, tháng 05 năm 2012 Nhóm sinh viên thực hiện !!! Lê Duy Tân Võ Duy Khánh Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 5 PHẦN GIỚI THIỆU Chương I. Đặt vấn đề 1. Tình hình nghiên cứu Điều khiển động cơ DC là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì động cơ DC một cơ cấu chấp hành (actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động như robot, các mô hình máy bay, xe hơi, các cơ cấu truyền động yêu cầu tính chính xác trong các máy móc,… Điều khiển được động cơ DC là chúng ta có thể tự xây dựng được cho mình rất nhiều hệ thống tự động. Vậy câu hỏi đặt ra ở đây là làm sao chúng ta có thể biết được tốc độ của động cơ và làm thế nào để điều chỉnh được nó?. Chính vì những lý do đó, nên nhóm em quyết định chọn đề tài “ Điều khiển động cơ DC servo” để phát huy thêm khả năng của mình và góp phần nhỏ vào cho đời sống xã hội. 2. Công việc thực tế của đồ án • Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng vi điều khiển vào thực tế nên trong đồ án sử dụng các phần tử cơ bản như: o Vi điều khiển họ Atmel 8051 o Động cơ DC 12V có gắn encorder để đọc số vòng quay. o Nút nhấn để điều khiển. o Vi điều khiển phát xung PWM để điều chỉnh vận tốc động cơ. o LCD để hiện thị dữ liệu ( vận tốc của động cơ). o Dùng mạch cầu H để khuếch đại công suất điều khiển động cơ (vì ngõ ra của vi điều khiển chỉ ở mức logic ≤ 5V không đủ để cấp cho động cơ hoạt đông).  Người sử dụng sẽ điều chỉnh tốc độ của động cơ thông qua nút nhấn vào vi điều khiển, vận tốc của động cơ sẽ được hiển thị lên LCD thông qua encorder. Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 6 3. Sơ đồ khảo sát, mô tả thực tế E BTN4 SW302 BUTTON + C101 10uF U101 7805 1 3 2 VIN VOUT GND LCD501 LCD 16X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VSS VDD VEE RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VDD (BL) VSS (BL) BTN1 J101 12V 1 2 VCC + C201 10uF VCC R101 330 L298_IN2 C202 33pF BTN5 L298_IN1 D101 LED SW301 BUTTON VCC J102 12V 1 2 V12 VCC BTN1 RS D6 RP201 10k 2 3 4 5 6 7 8 9 1 VCC L298_IN1 D4 SW305 BUTTON VCC D5 SW303 BUTTON + C102 10uF D5 MCU201 AT89S52 29 30 40 20 31 19 18 9 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 PSEN ALE/PROG VCC GND EA/VPP X1 X2 RST AD0/P0.0 AD1/P0.1 AD2/P0.2 AD3/P0.3 AD4/P0.4 AD5/P0.5 AD6/P0.6 AD7/P0.7 T2/P1.0 T2X/P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 (MOSI) P1.5 (MISO) P1.6 (SCK) P1.7 A8/P2.0 A9/P2.1 A10/P2.2 A11/P2.3 A12/P2.4 A13/P2.5 A14/P2.6 A15/P2.7 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD D7 VCC L298_IN2 VCC BTN2 BTN3 E J401 ENCODER 1 2 3 D4 RS SW304 BUTTON U401 L298 8 9 4 5 7 10 12 6 11 1 15 2 3 13 14 GND VCC VS IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB SENSA SENSB OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 Y201 12MHz C203 33pF R201 10k BTN3 BTN5 BTN2 D7 V12 ENCODER R501 10k SW201 RST D6 J402 MOTOR 1 2 ENCODER BTN4 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của mạch Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 7 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI A. PHẦN CỨNG I. VI ĐIỀU KHIỂN Tổng quan về vi điều khiển AT89S52 Vi điều khiển 89S52 là một vi điều khiển của hãng Atmel, dung CMOS có công suất thấp, hiệu suất cao. Với  8 KB Flash Memory  256 Byte RAM nội  4 Port xuất nhập I/O 8 bit  2 con trỏ dữ liệu, 3 bộ định thời timer/counter 16 bit.  1 kiến trúc 6 vector ngắt với 2 mức, 1 bộ dao động và 1 mạch xung clock.  Giao tiếp nối tiếp  64 KB vùng nhớ mã ngoài  64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài  Xử lý Boolean ( hoạt động trên bit đơn)  210 vị trí nhớ có thể định vị bit.  4µs cho hoạt động nhân hoặc chia. Thêm vào đó, vi điều khiển 89S52 còn được thiết kế với logic tĩnh để có thể hoạt động đến tần số 0Hz và được hổ trợ 2 chế độ tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn được bằng phần mềm. Chế độ không tải (Idle mode) dừng CPU trong khi cho phép RAM, Timer/Counter, Port nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động. Chế độ tắt nguồn ( Power down mode) lưu trữ dữ liệu trong RAM nhưng đóng băng bộ dao động, dừng hoạt động các chức năng khác của Chip cho đến khi ngắt xảy ra hoặc phần cứng được Reset. Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 8 2.1. Sơ đồ chân AT89S52 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U3 AT89C52 Hình 3 . Hình dạng thực tế IC 89S52 Hình 2. Sơ đồ chân IC 89S52 Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 9 Hình 4. Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển AT 89S52 Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng Trường Đại Học Trà Vinh 10    Chức năng các chân IC AT89S52:  Chân 29 (PSEN – Program Store Enable): là chân tín hiệu ngỏ ra có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE của Eprom, cho phép đọc các byte mã lệnh.  Chân 30 (ALE: Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của port 0.  Chân 31 (EA: Eternal Acess) được đưa xuống thấp cho phép chon bộ nhớ mã ngoài  32 chân còn lại chia làm 4 cổng vào ra: Vào ra tức là có thể dùng chân đó để đọc mức logic.  Port 0: từ chân 32 đến chân 39 tương ứng là các chân P0_0 đến P0_7, có 2 chức năng: • Trong thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng, có chức năng như đường I/O. • Đối với các hệ thống lớn có bộ nhớ mở rộng nó vừa là bus địa chỉ byte thấp vừa là bus dữ liệu để truy cập bộ nhớ ngoài.  Port 1: từ chân 1 đến chân 9 tương ứng là các chân P1_0 đến P1_7  Port 2: từ chân 21 đến chân 28 tương ứng là các chân P2_0 đến P2_7: là Port có tác dụng kép như các đường I/O hoặc là byte cao (A8 – A15) của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.  Port 3: từ chân 10 đến chân 17 tương ứng là các chân P3_0 đến P3_7P3.0 – RxD : chân nhận dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp RS232(Cổng COM). P3.1 _ TxD : phần truyền dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp RS232. P3.2 _ INTO : interrupt 0 , ngắt ngoài 0. P3.3 _ INT1: interrupt 1, ngắt ngoài 1. P3.4 _T0 : Timer0 , đầu vào timer0. P3.5_T1 : Timer1, đầu vào timer 1. P3.6_ WR: Write, điều khiển ghi dữ liệu. P3.7 _RD: Read , điều khiển đọc dữ liệu.  Chân 18, 19 nối với thạch anh tạo thành mạch tạo dao động cho VĐK. Tần số thạch anh thường được dùng trong các ứng dụng là : 11.0592Mhz(giao tiếp với cổng com máy tính) và tần số tối đa 24Mhz. Tần số càng lớn VĐK xử lý càng nhanh.  Chân 9 (RST – Reset): Khi tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện cho hệ thống thì mạch tự động reset. [...]... Động cơ bước hai cực: Các cuộn dây của động cơ hai cực giống như động cơ đơn cực nhưng không có đầu nối ở trung tâm 2 cuộn, vì vậy đơn giản hơn nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn Mạch điều khiển cho động cơ này đòi hỏi phải có mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu Hình 9 Động cơ bước hai cực o Động cơ nhiều pha: động cơ này không được phổ biến như các động cơ trên,... giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ II CÁC THIẾT BỊ KHÁC TRONG MẠCH 2.1 Động cơ bước: - Động cơ bước là một cơ cấu chấp hành rất thông dụng trong các ứng dụng điều khiển chính xác - Động cơ bước được chia làm nhiều loại như động cơ biến tử trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực và động cơ nhiều pha o Động cơ biến từ trở: có 3 cuộn dây, được nối một đầu chung lại vơi nhau (C), khi sử dụng... đưa vi điều khiển về trạng thái ban đầu Khi nút Reset được ấn điện áp +5V từ nguồn được nối vào chân Reset của vi điều khiển được chạy thẳng xuống đất lúc này điện áp tại chân vi điều khiển thay đổi đột ngột về 0, VĐK nhận biết được sự thay đổi này và khởi động lại trạng thái ban đầu cho hệ thống 2.3 Khối điều khiển: Gồm 5 nút ấn, hoạt động tương tự nút Reset Khi ấn nút thì các chân của vi điều khiển. .. Cross Compiler, Cross Assembler,… Trường Đại Học Trà Vinh 27 Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TỔNG QUÁT PHẦN CỨNG I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1 Sơ đồ khối tổng quát Khối nguồn Khối điều khiển DAC Vi Điều Khiển Tạo xung dao động Điều khiển động cơ AT89S52 Encorder Khối hiển thị Reset Hình 15 Sơ đồ khối tổng quát 2 Sơ lược chức năng của từng khối 2.1 Khối nguồn V12 Khối nguồn cho VĐK: J101... bit kích thước 16x2, được nối với Port 0 của vi điều khiển Nhiệm vụ của khối này là hiện thị tốc độ của động cơ Chân VSS nối lên Vcc, chân VDD nối xuống mass, còn chân VEE được nối với 1 biến trở để tăng giảm độ sáng cho LCD 2.7 Khối khuếch đại công suất Sử dụng IC L298 tích hợp mạch cầu H để khuếch đại công suất ngõ ra của vi điều khiển để điều khiển động cơ Chân Vcc của IC nối lên Vcc từ ổn áp 5V ra,... nguồn 12V Chân IN1 và IN2 nối vô Port 2 của vi điều khiển để lấy tín hiệu vô, động cơ được nối vào chân OUT 1 và OUT 2 V12 J401 4 1 2 3 SENSA SENSB ENCODER J402 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 2 2 1 3 13 MOTOR 14 8 1 15 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB GND VCC 5 7 10 12 6 11 VCC U401 L298 L298_IN1 L298_IN2 ENCODER VS VCC 9 VCC 2.8 Khối chấp hành: động cơ DC − Sử dụng động cơ DC 12V, có gắn một Encoder đồng trục, có ba dây:... chân này bằng 0 làm cho vi điều khiển nhận biết được sự thay đổi này và thực hiện lệnh cần SW301 điều khiển BTN1 BUTTON SW302 BTN2 BUTTON SW303 BTN3 BUTTON SW304 BTN4 BUTTON SW305 BTN5 BUTTON Trường Đại Học Trà Vinh 29 Đồ án môn học 2 GVHD: Th.S Vũ Thế Đảng 2.4 Khối tạo xung dao động: Sử dụng thạch anh 12MHz C202 33pF Y201 C203 12MHz 33pF 2.5 Khối điều khiển trung tâm Vi điều khiển AT89S52 là phần tử... Hoạt động định thời 3.1 Giới thiệu Các bộ định thời (Timer) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo lường và điều khiển Tùy thuộc vào ứng dụng đầu vào của bộ định thời có thể là nguồn xung lấy từ xung nhịp của vi điều khiển hoặc nguồn xung từ bên ngoài đưa đến Vi điều khiển họ 8051 có ba bộ định thời 16 bit trong đó hai bộ Timer 0 và Timer 1 có bốn chế độ hoạt động, còn Timer 2 có ba chế độ hoạt động. .. o Thanh ghi điều khiển Timer TCON: Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái điều khiển cho Timer 0 và Timer 1 Bit Symbol Bit Address Description TCON.7 TF1 8FH Cờ báo tràn của Timer1, được đặt bởi phần cứng khi có tràn, được xóa bởi phần mềm hoặc bởi phần cứng khi bộ xử lý chỉ đến chương trình phục vụ ngắt TCON.6 TR1 8EH Bit điều khiển Timer 1 hoạt động, được đặt/ xóa bằng phần mềm để điều khiển cho Timer... ngắt IP Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) - Phương pháp điều chế 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 vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ngõ ra 6 - Chúng ta sử dụng bộ Timer 16 bit của vi điều khiển để tạo ra xung có tỷ số độ rộng như mong muốn 7 Giải thuật điều khiển PID - PID là . nghiên cứu Điều khiển động cơ DC là một ứng dụng thuộc dạng cơ bản nhất của điều khiển tự động vì động cơ DC một cơ cấu chấp hành (actuator) được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tự động như. 2.1. Động cơ bước: - Động cơ bước là một cơ cấu chấp hành rất thông dụng trong các ứng dụng điều khiển chính xác. - Động cơ bước được chia làm nhiều loại như động cơ biến tử trở, động cơ đơn. Vi điều khiển phát xung PWM để điều chỉnh vận tốc động cơ. o LCD để hiện thị dữ liệu ( vận tốc của động cơ) . o Dùng mạch cầu H để khuếch đại công suất điều khiển động cơ (vì ngõ ra của vi điều