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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC LỜI CẢM ƠN Trong trình thực khóa luận: “Điều khiển động điện chiều dùng vi điều khiển 8051” Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang, người giúp đỡ, bảo tận tình, có hiệu quả, tạo điều kiện thuận lợi cho học hỏi, tìm hiểu nghiên cứu lĩnh vực điều khiển tự động Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Vật lý hết lòng dạy dỗ, bảo, giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện khóa luận Qua đây, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè giúp đỡ, cổ vũ, động viên suốt trình học tập hoàn thành khóa luận Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2011 Người thực Triệu Văn Hiếu TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung mà trình bày khóa luận kết trình nghiên cứu thân, hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang thầy cô giáo khoa Vật lý, Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội Những nội dung chưa công bố khóa luận tốt nghiệp khác Hà Nội, tháng 05 năm 2011 Người thực Triệu Văn Hiếu TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC MỤC LỤC A MỞ ĐẦU B NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo động điện chiều 1.2 Nguyên lý làm việc 1.3 Sức điện động phần ứng dây quấn phần ứng,công suất điện từ mômen điện từ 1.4 Phản ứng phần ứng động điện chiều 1.5 Đổi chiều dòng điện, tia lửa điện vành cổ góp 1.6 Mở máy động điện chiều 10 1.7 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều 12 1.8 Đặc tính làm việc động điện chiều 21 1.9 Động vạn 23 Chương ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 Tổng quan vi điều khiển 8051 24 2.2 Điều chế PWM để điều khiển động điện chiều 35 2.3 Thiết kế chương trình điều khiển 43 C KẾT LUẬN 52 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC A MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong ngành công nghiệp sản xuất đời sống, công tác điều khiển, vận hành hiệu thiết bị nhằm tăng khả sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất chi phí cho việc trùng tu, bảo dưỡng thiết bị sản xuất, giữ vị trí quan trọng Điều khiển máy điện lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng thiết bị sơ đồ điều khiển để phục vụ nhu cầu thay đổi đại lượng chuyển động mô men, tốc độ hay điều khiển vị trí tùy theo yêu cầu loại hình sản xuất Động điện chiều sử dụng từ lâu hệ truyền động có điều khiển tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao hệ thường xuyên hoạt động chế độ khởi động, hãm đảo chiều Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên sử dụng phổ biến Chính mà công tác điều khiển, vận hành giữ vị trí quan trọng Để thay đổi tốc độ, động xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp tần số động điện chiều cần thay đổi điện áp chiều Là sinh viên nghành kỹ thuật, muốn nâng cao hiểu biết kỹ thuật nói chung kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng, chọn đề tài: “Điều khiển động điện chiều dùng vi điều khiển 8051” TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu động điện môt chiều Tìm hiểu cách điều khiển động điện chiều dùng vi điều khiển Nhiệm vụ đề tài Nghiên cứu lý thuyết tổng quan động điện chiều Nghiên cứu vi điều khiển 8051 để ứng dụng vào việc điều khiển động điện chiều Đối tượng nghiên cứu Động điện chiều vi điều khiển 8051 Phương pháp nghiên cứu Cơ sở lý thuyết thực tế Cấu trúc luận văn Chương Tổng quan động điện chiều Chương tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tượng vật lý, đường đặc tính động điện chiều Chương Điều khiển động điện chiều dùng vi điều khiển Chương tìm hiểu vi điều khiển 8051 cách điều khiển động điện chiều dùng vi điều khiển 8051 TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC B NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều gồm stator với cực từ, rotor với dây quấn cổ góp với chổi điện (hình 1.1) Hình 1.1 Cấu tạo động điện chiều 1.1.1 Stator Còn gọi phần cảm, gồm lõi thép thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy Các cực từ có dây quấn kích từ 1.1.2 Rotor Còn gọi phần ứng gồm lõi thép, dây quấn phần ứng  Lõi thép rotor TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Dạng hình trụ, làm thép kỹ thuật dày 0,5 mm phủ sơn cách điện ghép lại để giảm tổn hao dòng điện xoáy gây Các thép rập có lỗ thông gió rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 1.2)  Dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng phần sinh sức điện động cảm ứng có dòng điện chạy qua Hình 1.2 Lá thép rotor Dây quấn phần ứng làm đồng có bọc cách điện, có tiết diện hình tròn (đối với máy có công suất bé) hay hình chữ nhật (đối với máy công suất lớn) đặt rãnh lõi thép theo sơ đồ cụ thể cách điện với rãnh Để tránh dây quấn bị văng rotor quay (lực ly tâm), miệng rãnh có dùng nêm tre 1.1.3 Cổ góp chổi điện  Cổ góp Gồm có phiến góp đồng ghép cách điện có dạng hình trụ, gắn đầu trục rotor (hình 1.3)  Chổi than Chổi than làm than gra-phít, ta trộn thêm bột đồng để làm tăng Hình 1.3 Cổ góp chổi độ dẫn điện Chổi than có nhiệm vụ đưa dòng điện từ phần ứng hay ngược lại Các chổi tỳ chặt nên cổ góp nhờ lò xo giá chổi điện gắn nắp máy (hình 1.3) 1.2 Nguyên lý làm việc Động điện chiều hoạt động dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ Hình 1.4 mô tả nguyên lý làm việc động chiều Khi cho điện áp TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC chiều U vào chổi điện A B, dây quấn phần ứng có dòng điện Dưới tác dụng nam châm lên dẫn ab, cd có dòng điện, sinh lực điện từ tác dụng làm cho rotor quay Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động động điện chiều Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái có độ lớn: F = Btbl.i (1.1) Btb: cảm ứng từ trung bình khe hở i: dòng điện chạy dẫn; l: chiều dài dẫn Khi phần ứng quay vòng vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ cho Do có phiến góp đổi chiều, dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động có chiều quay không đổi Khi động quay dẫn cắt từ trường cảm ứng sức điện động Eư Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ, chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện Phương trình cân điện áp là: U = Eư+IưRư TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT (1.2) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1.3 Sức điện động phần ứng dây ứng dây quấn phần ứng, mô men điện từ công suất từ 1.3.1 Sức điện động phần ứng dây quấn phần ứng Cho dòng điện kích thích vào dây quấn kích thích khe hở không khí sinh từ thông Khi phần ứng quay với tốc độ định dây quấn phần ứng cảm ứng nên sức điện động Sức điện động phụ thuộc vào từ thông cực từ, tốc độ quay máy, số dẫn dây quấn kiểu dây quấn Sức điện động trung bình cảm ứng dẫn có chiều dài tác dụng l, chuyển động với tốc độ v từ trường bằng: etb = Btblv (1.3) Trong Btb cảm ứng từ trung bình khe hở Do tốc độ quay: (1.4) Và (1.5) Btb = Trong đó: D đường kính phần ứng Thay vào ta có: etb = 2p (1.6) Gọi N tổng số dẫn dây quấn mạch nhánh song song có dẫn nối tiếp nhau, 2a số mạch nhánh ghép song song, sức điện động máy: Eư = Với: = 2p = n= n (1.7) hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy dây quấn Chiều Eư phụ thuộc vào chiều n xác định theo qui tắc bàn tay phải TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1.3.2 Công suất điện từ mô men điện từ Công suất điện từ động điện chiều Pđt = EưIư (1.8) Thay giá trị Eư (1.7) vào (1.8) ta có: Pđt = n Iư (1.9) Mômen điện từ là: Mđt = r (1.10) tần số góc quay rotor tính theo tốc độ quay n: r = (1.11) Thay giá trị biểu thức (1.9), (1.11), vào (1.10) ta có: Mđt = Iư Trong đó: CM = = CMIư (Nm) hệ số phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn Nhận xét: Mômen điện từ tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư từ thông Muốn thay đổi mômen điện từ ta phải thay đổi dòng điện phần ứng thay đổi dòng kích từ Muốn đổi chiều mômen điện từ ta phải đổi chiều dòng điện phần ứng hay dòng kích từ TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT 10 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GATE Bit điều khiển cổng cho định thời C/T Bit chọn chức đếm / định thời cho định thời M1 Bit chọn chế độ thứ cho định thời 0 M0 Bit chọn chế độ thứ cho định thời * Bắt đầu chương trình có ngắt + Trước chạy chương trình ngắt ta phải cho phép ngắt toàn cục xẩy cách gán EA =1 ngắt xẩy + Các giá trị ghi TCON TCON TCON.7 Điều khiển định thời TF1 Cờ tràn định thời Cờ set phần cứng có tràn, xóa phần mềm, phần cứng vi sử lý trỏ đến trình phục vụ ngắt TCON.6 TR1 Bit điều khiển hoạt động định thời Bit set xóa phần mềm để điều khiển định thời hoạt động hay ngưng TCON.5 TF0 Cờ tràn định thời TCON.4 TR0 Bit điều khiển hoạt động định thời TCON.3 IE1 Cờ ngắt bên (kích khởi cạnh) Cờ set phần cứng có cạnh âm xuất chân INT1 Được xóa phần mềm phần cứng CPU trỏ đến trình phục vụ ngắt TCON.2 IT1 Cờ ngắt bên (kích khởi cạnh mức) TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT 42 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Cờ set xóa phần mềm xảy cạnh âm mức thấp chân ngắt TCON.1 IE0 Cờ ngắt bên (kích khởi cạnh) TCON.0 IT0 Cờ ngắt bên (kích khởi cạnh mức)  Tạo PWM có chu kì max: 100µs * Tạo timer0 Do yêu cầu toán điều khiển tốc độ động quay nhanh quay chậm chạy thuận nghịch nên giữ nguyên chu kì thay đổi thời gian mở Yêu cầu như: + Động quay thuận nghịch bình thường: 1000µs + Động tăng tốc lớn nhất: 100µs + Động giảm tốc lớn nhất: 2000µs Khi bắt đầu cho timer chạy đếm timer đếm dao động thạch anh, 12 dao động cửa thạch anh đếm timer TL0 đếm tăng 1, nói timer đếm chu kì máy chế độ 8bit, TL0 ghi bit đếm từ đến 255 Nếu đếm đến 256 tràn đếm TL0 lại quay cờ ngắt TF0 tự động nạp lại giá trị ngắt xảy Như toán ta cần tạo timer 100µs, nên theo công thức ta có: Timer0 = (255 – TL0) * 1µs Như để tạo timer0 100µs cần phải gán giá trị TL0 = 155 đếm từ 155 – 255, tức 100 lần ngắt xẩy Để điều khiển nhanh chậm động ta phải tạo xung có độ rộng là: 5%, 10% .95%, 100% TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT 43 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Như ta có khoảng thời gian kéo lên 5V T1 Xung có độ rộng 10% tức là: T1/T = 10% * Nguyên lý hoạt động PWM PWM đưa để mở transitor, xung có độ rộng lớn transitor mở lâu động quay nhanh mà không tuyến tính Không có xung động không quay, xung có độ rộng 100% động quay lớn Tuy nhiên xung phải lớn mức đủ khởi động động Để thay đổi độ rộng xung theo 10 cấp khác (lấy giá trị quay thuận nghịch lúc bình thường 1000 µs) với chu kì 2000µs Ta phải khởi tạo timer 1000µs lại ngắt lần + Hàm khởi tạo timer0 Như nói muốn có giá trị timer0 cần gán cho TL0 ghi đếm sau tràn tạo timer 100 µs nên ta dùng chế độ bit tự nạp void khoitaotimer0(void)// Ham khoi tao { EA=0;// Cam ngat toan cuc TMOD=0x02;// Timer che bit auto reload TH0=0x9B;// Gia tri nap lai 155 doi so hex TL0=0x9B;// Gia tri khoi tao 155 doi so hex ET0=1;// Cho phep ngat timer TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT 44 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC EA=1;// Cho phep ngat toan cuc TR0=1;// Chay timer bat dau dem so chu ki may } + Hàm ngắt bit PWM; unsigned char dem=0;// Khai bao bien dem de dem tu den 10 unsigned char phantram_PWM =10 ;// Bien chua phan tram xung(0 10) void timer0(void) interrupt //Ngat timer { TR0=0;// Dung chay timer TF0=0;// Xoa co, o che co tu duoc xoa dem++; if(dem Phần trăm_PWM Dem=20 PWM=1 PWM=0 Dem=0 exit Chương trình TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT 47 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Phục vụ ngắt Timer Khai báo biến Khởi động Timer Khởi tạo Stack Stop P1_0 P2_0 = P2_1 = Báo hiệu P1_2 P1_1 exit P2_0 = pwm P2_1 = Báo hiệu Tăng tốc Nghịch Thuận exit P2_0 = P2_1 = pwm Báo hiệu Giảm tốc P1_3 exit Phầntrăm_pwm - Hiển thị P1_4 exit exit Phầntrăm_pwm ++ Hiển thị  Chương trình /* Dieu khien toc dong co DC : Quay thuan, quay nghich, tang toc, giam toc */ // Chan dieu khien dong co la : P2_0 va P2_1 TRIỆU VĂN HIẾU – K33D – SPKT 48 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC // chan de dieu khien : Quay thuan, quay nghich, Dung, Tang toc, giam toc // chan bao hieu dong co dang o che nao #include /* Dinh nghia cac nut nhan*/ #define stop P1_0 #define thuan P1_1 #define nghich P1_2 #define tang P1_3 #define giam P1_4 bit PWM; unsigned char dem=0; unsigned int phantram_PWM=10; /* Ham tao thoi gian tre*/ void delay(unsigned int t) { unsigned int i,j; for(i=0;i[...]... 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... 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 vi c khởi động các động cơ một chiều có công suất lớn Ngoài vi c 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 Ta có: Eư = U - RưIư Thay trị... 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   max Iu* Hình 1.15 Đặc tính hiệu suất của các động cơ điện một chiều 1.9 Động cơ vạn năng Trong công nghiệp cũng như các thiết bị sinh hoạt, người ta sử dụng rộng rãi loại động cơ có vành góp dùng được với các dòng điện một chiều và xoay chiều. .. tính làm vi c của động cơ điện một chiều Đặc tính làm vi c 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 Hình 1.14 Đường đặc tính làm giống đặc tính cơ n = f(M) Các đặc vi c của động cơ điện một chiều 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... 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. .. 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... HIẾU – K33D – SPKT 23 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Vi c 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 Hình 1.15 Đặc tính cơ của động cơ kích tư hỗn hợp những nơi cần điều kiện mômen mở máy lớn, gia tốc quay khi mở... 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 vi c 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... 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... 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 It khác nhau 1.7.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích ... chiều 21 1.9 Động vạn 23 Chương ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 Tổng quan vi điều khiển 8051 24 2.2 Điều chế PWM để điều khiển động điện chiều. .. điện xoay chiều 50Hz Chương ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 Tổng quan vi điều khiển Vào năm 1981, hãng Intel giới thiệu số vi điều khiển gọi 8051 Bộ vi điều khiển có... tổng quan động điện chiều Nghiên cứu vi điều khiển 8051 để ứng dụng vào vi c điều khiển động điện chiều Đối tượng nghiên cứu Động điện chiều vi điều khiển 8051 Phương pháp nghiên cứu Cơ sở lý