Điều khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển 8051

Điều khiển máy điện là một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động như mô men, tốc độ hay điều khiển v

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện khóa luận: “Điều khiển động cơ điện một

chiều dùng vi điều khiển 8051”

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang, người đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình, có hiệu quả, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi học hỏi, tìm hiểu và nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý đã hết lòng dạy dỗ, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện bài khóa luận này

Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ,

cổ vũ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bài khóa luận này

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2011 Người thực hiện

Triệu Văn Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung mà tôi đã trình bày trong khóa luận này là kết quả của quá trình nghiên cứu của bản thân, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang và các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2

Những nội dung này chưa từng được công bố trong bất kỳ khóa luận tốt nghiệp nào khác

Hà Nội, tháng 05 năm 2011 Người thực hiện

Triệu Văn Hiếu

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 1

B NỘI DUNG 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 3

1.2 Nguyên lý làm việc 4

1.3 Sức điện động phần ứng trong dây quấn phần ứng,công suất điện từ và mômen điện từ 6

1.4 Phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều 8

1.5 Đổi chiều dòng điện, tia lửa điện trên vành cổ góp 9

1.6 Mở máy động cơ điện một chiều 10

1.7 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 12

1.8 Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều 21

1.9 Động cơ vạn năng 23

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 Tổng quan về vi điều khiển 8051 24

2.2 Điều chế PWM để điều khiển động cơ điện một chiều 35

2.3 Thiết kế chương trình điều khiển 43

C KẾT LUẬN 52

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển, vận hành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc trùng

tu, bảo dưỡng thiết bị sản xuất, giữ một vị trí quan trọng

Điều khiển máy điện là một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị

và sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động như mô men, tốc độ hay điều khiển vị trí tùy theo các yêu cầu của mỗi loại hình sản xuất

Động cơ điện một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động

có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các

hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến Chính vì thế mà công tác điều khiển, vận hành giữ một vị trí quan trọng

Để thay đổi tốc độ, các động cơ xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp và tần số trong khi động cơ điện một chiều thì chỉ cần thay đổi điện áp một chiều

Là một sinh viên nghành kỹ thuật, muốn nâng cao hiểu biết về kỹ thuật

nói chung và kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng, tôi đã chọn đề tài: “Điều

khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển 8051”

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu về động cơ điện môt chiều

Tìm hiểu về cách điều khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển

3 Nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về động cơ điện một chiều

Nghiên cứu vi điều khiển 8051 để ứng dụng vào việc điều khiển động

cơ điện một chiều

4 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ điện một chiều và vi điều khiển 8051

5 Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và thực tế

6 Cấu trúc luận văn

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

Chương này tôi tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các hiện tượng vật lý, các đường đặc tính trong động cơ điện một chiều

Chương 2 Điều khiển động cơ điện một chiều dùng vi điều khiển

Chương này tôi tìm hiểu về vi điều khiển 8051 và cách điều khiển động

cơ điện một chiều dùng vi điều khiển 8051

B NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm stator với cực từ, rotor với dây quấn và cổ góp với chổi điện (hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

1.1.1 Stator

Còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa

là vỏ máy Các cực từ chính có dây quấn kích từ

1.1.2 Rotor

Còn gọi là phần ứng gồm lõi thép, dây quấn phần ứng

 Lõi thép rotor

Dạng hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ

thuật dày 0,5 mm phủ sơn cách điện ghép lại để

giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra Các lá

thép được rập có lỗ thông gió và rãnh để đặt

dây quấn phần ứng (hình 1.2)

 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức

điện động cảm ứng và có dòng điện chạy qua

Chổi than làm bằng than gra-phít,

đôi khi ta trộn thêm bột đồng để làm tăng

độ dẫn điện Chổi than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng ra ngoài hay ngược lại Các chổi tỳ chặt nên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy (hình 1.3)

một chiều U vào 2 chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Dưới tác dụng của nam châm lên các thanh dẫn ab, cd có dòng điện, sẽ sinh ra lực điện từ tác dụng làm cho rotor quay

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái và có độ lớn:

U = Eư+IưRư (1.2)

1.3 Sức điện động phần ứng trong dây ứng trong dây quấn phần ứng, mô men điện từ và công suất từ

1.3.1 Sức điện động phần ứng trong dây quấn phần ứng

Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích thì trong khe hở không khí sẽ sinh ra từ thông Khi phần ứng quay với một tốc độ nhất định nào đó thì trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng nên một sức điện động Sức điện động đó phụ thuộc vào từ thông dưới mỗi cực từ, tốc độ quay của máy,

số thanh dẫn của dây quấn và kiểu dây quấn

Sức điện động trung bình cảm ứng trong thanh dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động với tốc độ v trong từ trường bằng:

Gọi N là tổng số thanh dẫn của dây quấn thì mỗi mạch nhánh song song

sẽ có thanh dẫn nối tiếp nhau, trong đó 2a là số mạch nhánh ghép song song, và như vậy sức điện động của máy:

Với: = là hệ số phụ thuộc vào kết cấu của máy và dây quấn

Chiều của Eư phụ thuộc vào chiều và n và được xác định theo qui tắc bàn tay phải

1.3.2 Công suất điện từ và mô men điện từ

Công suất điện từ của động cơ điện một chiều

Trong đó: CM = là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn

Nhận xét: Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư và từ thông

Muốn thay đổi mômen điện từ ta phải thay đổi dòng điện phần ứng hoặc thay

đổi dòng kích từ Muốn đổi chiều mômen điện từ ta phải đổi chiều dòng điện

phần ứng hay dòng kích từ

1.4 Phản ứng phần ứng trong động cơ điện một chiều

Hình 1.5 Từ trường trong động cơ điện một chiều

1.4.1 Từ trường cực từ

Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ Các cực từ có cực tính khác nhau được bố trí xen kẽ nhau dọc theo chu vi phía trong thân vỏ máy, từ thông đi từ cực bắc N qua khe hở và phần ứng rồi trở về cực nam S nằm bên cạnh Sự phân bố đường sức từ của từ trường cực từ như hình 1.5a

1.4.2 Từ trường phần ứng

Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng (hình 1.5b) Từ trường phần ứng hướng vuông góc với từ trường cực từ Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng, từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng (1.5c) Ở một mỏm cực, từ trường được tăng

cường (tại đó từ trường phần ứng trùng chiều với từ trường cực từ) trong khi

đó ở mỏm cực kia, từ trường bị yếu đi (tại đó từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ) Hậu quả của phản ứng phần ứng là:

Từ trường trong máy bị biến dạng: Điểm có từ cảm B = 0 dịch chuyển

từ trung tính hình học mn đến vị trí mới gọi là trung tính vật lý m’n’ Góc lệch thường nhỏ và lệch ngược chiều quay rotor Ở vị trí trung tính hình học, từ cảm B ≠ 0 thanh dẫn chuyển động qua đó sẽ cảm ứng sức điện động gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều

Khi tải lớn dòng điện phần ứng lớn: Từ trường phần ứng lớn phần

mỏm cực từ trường được tăng cường bị bão hòa, từ cảm B tại đó được tăng lên rất ít, trong khi đó mỏm cực kia từ trường giảm đi nhiều, kết quả là từ thông của máy bị giảm đi nhiều Từ thông giảm kéo theo sức điện động phần ứng giảm làm cho điện áp đầu cực máy phát điện U giảm xuống Ở chế độ động cơ từ thông giảm làm cho mômen quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi

Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù

Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược chiều với từ trường phần ứng Để khắc phục việc từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng

1.5 Đổi chiều dòng điện, tia lửa điện trên cổ vành góp

1.5.1 Nguyên nhân phát sinh tia lửa điện

Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử Nguyên nhân gây ra tia lửa trên cổ góp gồm:

+ Nguyên nhân cơ khí

Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đủ, đúng quy cách, rung động của chổi than cố định không tốt hoặc lực lò xo tỳ yếu

+ Nguyên nhân điện từ

Khi rotor quay liên tiếp có phần tử chuyển mạch nhánh này sang mạch nhánh khác Ta gọi các phần tử ấy là phần tử đổi chiều Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau

 Sức điện động tự cảm do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều

 Sức điện động hỗ cảm do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận

 Sức điện động do từ trường phần ứng gây ra

Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử đổi chiều, các sức điện động trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích lũy năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động

1.5.2 Các biện pháp cải thiện đổi chiều

Để khắc phục tia lửa, ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên và dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù hay triệt tiêu tổng

ba sức điện động ở trên

Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng Đối với máy công suất nhỏ người ta không dùng cực từ phụ

mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý

1.6 Mở máy động cơ điện một chiều

Các yêu cầu đặt ra cho việc mở máy động cơ điện một chiều là:

 Mômen mở máy Mmm phải lớn nhất để có thể hoàn thành quá trình mở máy trong thời gian ngắn nhất

 Dòng điện mở máy Imm phải nhỏ nhất để khỏi cháy dây quấn hay ảnh

hưởng xấu đến đổi chiều

Cần chú ý rằng để mômen mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông

lớn nhất vì thế các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện

kích từ lúc mở máy lớn nhất Do đó ta thường chỉnh biến trở điều chỉnh dòng

kích thích ở vị trí nhỏ nhất để sau khi đóng động cơ vào nguồn thì động cơ

được kích thích tối đa và như vậy mômen ứng với mỗi trị số Iư luôn lớn nhất

Các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều bao gồm (Để giảm

dòng điện mở máy đạt Imm = (1,5 - 2) Iđm )

1.6.1 Mở máy trực tiếp

Ta đóng thẳng động cơ vào lưới điện Phương pháp này có đặc điểm

sau:

 Ưu điểm: Đơn giản, thao tác dễ dàng, không tốn kém

 Khuyết điểm: Dòng điện mở máy lớn

Do khi mở máy tốc độ n = 0, sức phản điện Eư = CEn = 0 nên dòng

điện phần ứng lúc mở máy là: Iư = Vì điện trở Rư rất nhỏ, nên dòng điện

phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng (20 - 30)Iđm làm hỏng cổ góp và chổi

than Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện mở máy Imm lớn, làm ảnh

hưởng đến lưới điện Do đó phương pháp mở máy này chỉ áp dụng cho các

động cơ điện một chiều có công suất vài kw

giá trị lớn nhất, trong quá trình mở máy tốc

độ tăng lên, sức điện động Eư tăng và điện

trở mở máy giảm dần đến 0, máy làm việc

đúng điện áp định mức

 Ưu điểm: Giảm được dòng điện mở máy

 Khuyết điểm: Tổn hao năng lượng trên điện trở mở máy

1.6.3 Giảm điện áp đặt vào phần ứng

Trong trường hợp này, điện áp đặt vào động cơ lúc mở máy nhỏ hơn

điện áp định mức nên giới hạn được dòng điện mở máy Phương pháp này

được sử dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh điện áp ví dụ

trong hệ thống máy phát - động cơ hay nguồn một chiều chỉnh lưu

Phương pháp này thường sử dụng cho việc khởi động các động cơ một

chiều có công suất lớn Ngoài việc mở máy nó còn kết hợp để điều chỉnh tốc

độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp

1.7 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Vì M = CM Iư nên ta có: n = - Do đó muốn điều chỉnh tốc độ ta có thể:

+ Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng: Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm Vì dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn, phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ

+ Thay đổi điện áp U: Dùng nguồn một chiều điều chỉnh điện áp cung cấp điện cho động cơ Phương pháp này rất phổ biến

+ Thay đổi từ thông: Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng kích từ Khi điều chỉnh tốc độ ta kết hợp các phương pháp Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ một chiều

Sau đây ta sẽ xét cụ thể từng loại động cơ điện một chiều

1.7.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ kích

thích độc lập hay song song

Sơ đồ nối dây như hình 1.7 trong

đó đã vẽ chiều dòng điện vào động cơ I,

dòng điện phần ứng Iư và dòng điện kích

từ Ikt Với những điều kiện U = const và It

= const, khi M hay Iư thay đổi, từ thông

của động cơ hầu như không đổi vì ảnh

hưởng làm giảm của phản ứng phần ứng

ngang trục rất nhỏ, nên biểu thức trên có

thể viết dưới dạng: n = no - Trong đó: Hình 1.7 Sơ đồ nối dây trong

động cơ điện kích từ song song

no = là tốc độ của động cơ khi M = 0, gọi là tốc độ không tải lý tưởng

Còn k = biểu thị độ cứng của đặc tính cơ, k càng lớn đặc tính cơ càng cứng

Đường đặc tính cơ ứng với U = Uđm và = đm trên mạch phần ứng không có điện trở phụ gọi là đặc tính cơ tự nhiên Do Rư rất nhỏ nên khi tải thay đổi từ không đến định mức thì tốc độ giảm rất ít (khoảng 2 - 8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ của động cơ kích thích song song rất cứng Với đặc tính cơ như vậy động cơ một chiều kích thích song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi

tải thay đổi (quạt, máy cắt gọt kim

loại…)

Để mở máy ta dùng biến trở mở

máy Rmở, để điều chỉnh tốc độ ta dùng Rđc

để thay đổi Ikt do đó thay đổi từ thông 

Phương pháp này sử dụng rất rộng rãi

song cần chú ý khi giảm từ thông, có thể dòng điện phần ứng tăng quá trị số cho phép vì thế cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho động cơ làm việc khi từ thông giảm quá nhiều

Hình 1.8 Đặc tính cơ của động

cơ một chiều kích thích song song

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng

Khi gắn thêm điện trở

cơ ứng với các trị số khác nhau

của Rf trong đo đường ứng với

Rf = 0 gọi là đặc tính cơ tự nhiên Giao điểm của đặc tính cơ tự nhiên trên với đường mômen cản của tải Mc = f(n) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi các giá trị của Rf

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ một chiều kích thích độc lập hay động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập Ta dùng một nguồn điện áp độc lập để cung cấp điện áp điều chỉnh cho động cơ, theo sơ đồ nguyên lý của tổ máy phát điện – động cơ như hình

Khi thay đổi điện áp U ta có một họ đặc tính cơ có cùng độ dốc, đường

1 ứng với Uđm, đường 2, 3 ứng với U2 < U3 < Uđm và đường 4 ứng với U4 >

Uđm

Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích song song với những điện trở phụ khác nhau

Vì thường không cho phép

U > Uđm, cho nên phương pháp

này chỉ cho phép điều chỉnh tốc

độ nhỏ hơn tốc độ định mức, còn

việc điều chỉnh trên tốc độ định

mức rất ít được áp dụng

Đặc điểm của phương

pháp điều chỉnh tốc độ này là khi

thay đổi tốc độ thì mômen không

đổi vì cả và Iư đều không đổi Sở

dĩ Iư không đổi là vì khi giảm tốc

độ n ta cũng làm cho E giảm theo

nên: Iư = = const Phương pháp này không gây tổn hao thêm trong động cơ điện nhưng nó đòi hỏi phải có nguồn điện riêng có điện áp điều chỉnh được

Hiện nay các tổ máy phát điện – động cơ thường dùng trong các máy cắt kim loại và máy cán thép lớn để điều chỉnh tốc độ động cơ với hiệu suất cao, phạm vi điều chỉnh rộng 1:10 hay hơn nữa

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Nếu ta thay đổi điện trở Rđc ở mạch kích thích thì ứng với mỗi trị số khác nhau của điện trở mạch kích thích ta có một giá trị của It, do đó có một giá trị của  và một đặc tính cơ tương ứng

Trên hình vẽ các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của từ thông Các đường đó có n0 > n0đm và có độ dốc khác nhau, chúng gặp nhau trên trục

hoành tại điểm ứng với n = 0 và dòng điện Iư = Chú ý rằng bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với dòng điện kích từ định mức nên chỉ

có thể điều chỉnh dòng điện kích từ theo hướng giảm, nghĩa là điều chỉnh tốc

độ trên vùng tốc độ định mức Ở hình đường thấp nhất ứng với Giao điểm của đường đặc tính mômen cản Mc với các đường đặc tính cơ cho biết tốc độ xác lập ứng với các trị số khác nhau của từ thông

Do hạn chế bởi các điều kiện về cơ khí và điều kiện đổi chiều của máy nên các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này trong giới hạn 1:2

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi tốc độ liên tục và kinh tế Trong quá trình điều chỉnh hiệu suất không đổi vì phần điều khiển nằm trên mạch kích từ

có công suất nhỏ so với công suất động cơ

Hình 1.11 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích thích độc lập ở những I t khác nhau

1.7.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

Sơ đồ nối dây vẽ trên hình 1.12

Đối với động cơ một chiều kích thích nối

tiếp thì dòng điện kích thích chính là dòng điện

phần ứng I = Iư = It Dòng điện phần ứng Iư và từ

thông tỉ lệ với nhau, nghĩa là: Iư = Ci

Trong đó Ci là hệ số tỉ lệ và không đổi

trong vùng I < 0,8Iđm Khi I > 0,8Iđm thì Ci hơi

giảm xuống do ảnh hưởng của bão hòa mạch từ

Như vậy biểu thức mômen có thể viết: M

từ chưa bão hòa, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng của hypecbôn bậc 2 như hình 1.13

Ở loại động cơ này, tốc độ n giảm rất nhanh khi tải tăng đặc biệt là khi mất tải (I = 0, M = 0)

tốc độ có trị số rất lớn Cũng chính

vì lý do đó mà không cho phép động cơ này làm việc ở chế độ mất tải (chẳng hạn như đứt dây truyền…) Thông thường cho phép động cơ loại này làm việc với tải tối thiểu P= (0,2 - 0,5)Pđm

Trên thực tế do ảnh hưởng

Hình 1.12 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp

Hình 1.13 Đường đặc tính cơ của động

cơ kích từ nối tiếp

của việc bão hòa mạch từ khi tải tăng nên tốc độ động cơ giảm ít hơn (đường nét đứt)

Động cơ loại này thích hợp ở những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề

và cần điều chỉnh tốc độ động cơ trong một phạm vi rộng như ở các đầu máy kéo tải

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Ta thay đổi từ thông của động cơ loại này bằng 3 cách

+ Rẽ mạch dây quấn kích thích bằng một điện trở

+ Thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích

Hai phương pháp điều chỉnh đầu chỉ chỉnh được và tốc độ sẽ thay đổi trong vùng trên định mức, đường đặc tính cơ sẽ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên + Rẽ mạch dây quấn phần ứng: Lúc này điện trở tổng toàn mạch sẽ giảm xuống, dòng điện It = I sẽ tăng lên, từ thông tăng và do đó tốc độ quay của động cơ giảm xuống Phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới vùng định mức và đường đặc tính cơ nằm dưới đường đặc tính cơ tự nhiên Vì điện trở cuộn kích thích rất bé nên hầu như toàn bộ điện áp mạng được đặt vào Rsư, do

đó tổn hao rất lớn và hiệu suất của máy giảm đi nhiều Ngoài ra việc tăng từ thông còn bị hạn chế bởi sự bão hòa của mạch từ nên phương pháp ít thông dụng

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng

Khi ghép thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì chỉ điều chỉnh tốc

độ ở vùng dưới tốc độ định mức và do tổn hao trên điện trở phụ lớn nên làm giảm hiệu suất của động cơ nên phương pháp này không thông dụng

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Vì điện áp đặt vào động cơ U < Uđm nên phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ động cơ ở vùng dưới tốc độ định mức Phương pháp này có hiệu

suất cao vì không gây tổn hao thêm khi điều chỉnh cho nên nó được áp dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và được thực hiện bằng cách đổi nối từ song song sang nối tiếp 2 động cơ Khi làm việc song song, các động cơ sẽ làm việc với U = Uđm còn khi chuyển sang đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào động cơ

1.7.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp

Sơ đồ nối dây vẽ trên hình 1.14

Các dây quấn kích từ có thể nối thuận (từ trường 2 dây quấn cùng chiều) làm tăng từ thông hay nối ngược làm giảm từ thông Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp là khi nối thuận (đường 1) sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song (đường 2) và nối tiếp (đường 3) (hình 1.15)

Ở các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn

kích từ nối tiếp là dây quấn chính, còn dây quấn

kích từ song song là dây quấn phụ và được nối

thuận Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ

động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ

Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích

từ nối tiếp là kích từ phụ và nối ngược, có đặc

tính cơ rất cứng đường 4 hình 1.15, nghĩa là tốc

độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi,

thật vậy khi mômen quay tăng dòng điện phần ứng tăng, dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm đi một ít nhưng vì dây quấn kích từ nối tiếp được nối ngược làm giảm từ thông trong máy sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ Ngược lại khi nối thuận, sẽ làm cho đặc tính cơ mềm hơn, mômen mở máy lớn hơn thích hợp với máy ép, máy bơm…

Hình 1.14 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích

từ hỗn hợp

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ

một chiều kích thích hỗn hợp thực hiện

giống như ở trường hợp kích thích song

song mặc dù về nguyên tắc có thể áp

dụng các phương pháp như của động cơ

một chiều kích thích nối tiếp

Động cơ loại này được dùng ở

những nơi cần điều kiện mômen mở

máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong vùng rộng như trong máy ép, máy bào

1.8 Đặc tính làm việc của động cơ điện một chiều

Đặc tính làm việc của động cơ một chiều bao gồm các quan hệ n, M =

f(Iư) khi U = Uđm = const

Từ các biểu ta thấy về cơ bản đặc tính tốc độ n = f(Iư) có dạng giống đặc tính cơ n = f(M) Các đặc tính tốc độ các loại động cơ biểu thị theo đơn vị tương đối được trình bày

ở hình Đường 1 là ứng với động cơ kích thích song song

Đường 2, 3 là ứng với động cơ kích thích hỗn hợp

Đường 4 là ứng với động cơ kích thích nối tiếp

Đặc tính mômen M = f(Iư) là quan hệ M = CM Iư Ở động cơ kích thích song song = const nên M phụ thuộc vào Iư theo quan hệ bậc nhất (đường I) Ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp thì Iư nên đặc tính

Hình 1.15 Đặc tính cơ của động cơ kích tư hỗn hợp

Hình 1.14 Đường đặc tính làm

việc của động cơ điện một chiều

mômen có dạng parabôn Còn ở động cơ kích thích hỗn hợp, khi Iư tăng thì

 cũng tăng nhưng với tốc độ chậm hơn sự tăng của động cơ kích thích nối tiếp nên đặc tính mômen có tính trung gian giữa đường I, IV đường (II, III)

Đặc tính hiệu suất f(Iư) khi U = Uđm = const của các loại động cơ một chiều nói chung có dạng như hình Hiệu suất cực đại của động cơ một chiều thường được tính với dòng điện tải I = 0,75Iđm và lúc đó tổn hao không đổi trong động cơ (tổn hao cơ và sắt) bằng tổn hao biến đổi phụ thuộc vào điện trở của các dây quấn và tỷ lệ với bình phương của dòng điện Iư Hiệu suất của động cơ một chiều khoảng (0,75 - 0,85) đối với động cơ có công suất nhỏ và (0,75 - 0,94) đối với động cơ có công suất trung bình và lớn

từ với dây quấn kích từ nối tiếp, dòng kích từ là dòng phần ứng nên từ thông

và dòng điện phần ứng sẽ biến thiên đồng thời với nhau, bảo đảm chiều mômen quay động cơ không đổi Động cơ vạn năng thích hợp với chế độ làm

việc nặng nề nên nhiều nước sử dụng động cơ này trên đường sắt với lưới điện xoay chiều 50Hz

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 Tổng quan về vi điều khiển

Vào năm 1981, hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi

là 8051 Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chip, hai

bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng vào ra Tất cả được đặt trên một chip Trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biến thể được sản xuất

bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kể đến các hãng như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52…đã xuất hiện trên thị trường trong khoảng thời gian khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit

2.1.1 Cấu trúc BUS

Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 đường tín hiệu (thường gọi là bus địa chỉ 16 bit) Với số lượng bit địa chỉ như trên, không gian nhớ

của chip được mở rộng tối đa là 216 = 65536 địa chỉ, tương đương 64K Bus

dữ liệu của họ vi điều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu (thường gọi là bus dữ liệu 8 bit), đó là lý do tại sao nói 8051 là họ vi điều khiển 8 bit Với độ rộng của bus dữ liệu như vậy, các chip họ 8051 có thể xử lý các toán hạng 8 bit trong một chu kỳ lệnh

2.1.2 CPU (Central Processing Unit)

CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống vi điện tử được 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

2.1.3 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 nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi trong không gian bộ nhớ chương trình AT89C51/AT89S51 có 4K byte bộ nhớ chương trình loại Flash tích 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 lần ghi/xóa được thường lên tới hàng vạn lần

Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mã của chương trình nạp vào chip Mỗi

lệnh được mã hóa bởi 1 hay vài byte, dung lượng 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 Reset của 8051 Ngay sau khi reset (do tắt bật nguồn, do mức điện áp tại chân RESET bị kéo lên 5V ), CPU sẽ nhảy đến thực hiện lệnh đặt tại địa chỉ này trước tiên, luôn luôn là như vậy Phần còn trống trong không gian chương trình không dùng để làm gì

cả Nếu muốn 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, bộ nhớ chương trình onchip không dùng được nữa, bộ nhớ chương trình ngoài sẽ chiếm dải địa chỉ ngay từ địa chỉ 0x0000

2.1.4 Bộ nhớ dữ liệu (Data Memory)

Vi điều khiển họ 8051 có không gian bộ nhớ dữ liệu là 64K địa chỉ, đó cũng là dung lượng bộ nhớ dữ liệu lớn nhất mà mỗi chip thuộc họ này có thể

có được (nếu phối ghép một cách chính tắc, sử dụng các đường tín hiệu của bus địa chỉ và dữ liệu) Bộ nhớ dữ liệu của các chip họ 8051 có thể thuộc một hay hai loại: SRAM hoặc 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 chỉ khoảng vài trăm byte Đây chính là nơi chứa các biến trung gian trong quá trình hoạt động của chip Khi mất điện, do bản chất của SRAM mà giá trị của các biến này cũng bị mất theo Khi có điện trở lại, nội dung của các ô nhớ chứa các biến này cũng là bất kỳ, không thể xác định trước Bên cạnh bộ nhớ loại SRAM, một số chip thuộc họ 8051 còn có thêm

bộ nhớ dữ liệu loại EEPROM với dung lượng tối đa vài Kbyte, tùy từng loại chip cụ thể Dưới đây là một vài ví dụ về bộ nhớ chương trình của một số loại chip thông dụng thuộc họ 8051