Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ

1.1 Tổng quan Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã cho ra đời nhiều vi mạch số cỡ lớn với giá thành rẻ và khả năng lập trình cao đã mang lại những thay đổi lớn trong ngành điện tử. Mạch số ở những mức độ khác nhau đã đang thâm nhập trong các lĩnh vực điện tử thông dụng và chuyên nghiệp một cách nhanh chóng. Các trường kỹ thuật là nơi mạch số thâm nhập mạnh mẽ và được học sinh, sinh viên ưa chuộng do lợi ích và tính khả thi của nó. Vì thế sự hiểu biết sâu sắc về vi xử lý là không thể thiếu đối với sinh viên ngành điện, điện tử hiện nay. 1.2. Mục đích yêu cầu: Sự cần thiết, quan trọng cũng như tính khả thi và ích lợi của vi xử lý cũng chính lý do để chọn và thực hiện đề tài “thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ” nhằm ứng dụng kiến thức đã học về vi xử lý vào thực tế. Yêu cầu đồ án này là thiết kế mạch đo tốc độ sử dụng vi xử lý 89C51 phải điều khiển được động cơ với 4 cấp tốc độ khác nhau.

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã cho ra đời nhiều vi mạch số

cỡ lớn với giá thành rẻ và khả năng lập trình cao đã mang lại những thay đổi lớn trong ngành điện tử Mạch số ở những mức độ khác nhau đã đang thâm nhập trong các lĩnh vực điện tử thông dụng và chuyên nghiệp một cách nhanh chóng Các trường kỹ thuật là nơi mạch số thâm nhập mạnh mẽ và được học sinh, sinh viên ưa chuộng do lợi ích và tính khả thi của nó Vì thế sự hiểu biết sâu sắc về vi

xử lý là không thể thiếu đối với sinh viên ngành điện, điện tử hiện nay

1.2 Mục đích yêu cầu:

Sự cần thiết, quan trọng cũng như tính khả thi và ích lợi của vi xử lý cũng

chính lý do để chọn và thực hiện đề tài “thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ” nhằm ứng dụng kiến thức đã học về vi xử lý vào thực tế

Yêu cầu đồ án này là thiết kế mạch đo tốc độ sử dụng vi xử lý 89C51 phải điều khiển được động cơ với 4 cấp tốc độ khác nhau

1.3 Phương pháp điều khiển tốc độ

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một

cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

1.3.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ

13.1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm Rp

Điều chỉnh tốc độ bằng dùng thêm Rp:Mắc nối tiếp Rp vào phần ứng,

khi điện trở phần ứng Rư tăng lên, suy ra ω giảm, độ dốc của đường đặc

tính giảm

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục,

nhưng do thêm Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế

1.3.1.2 Điều khiển từ thông:

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ và sức điện động quay của động cơ Khi từ thônggiảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn của việc thayđổi từ thông Nhưng theo công thức khi từ thông thay đổi thì mômen, dòng điệncũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điều khiển và mômen tải, nênphương pháp này cũng ít dùng

1.3.1.3 Điều khiển điện áp phần ứng:

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động một chiềubằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phầnứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theophương trình sau:

Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi,

còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U u của

hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng

Thyristor, transistor.Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trungbình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật

nhanh Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện

áp trung bình Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ

Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 24V, và đặt tỷ lệ thời gian ON

là 25% thì điện áp trung bình là 6V Trong thời gian "Off", điện áp cảm

ứng của phần ứng sẽ làm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một đi ốt

gọi là đi ốt phi hồi, nối song song với động cơ Tại thời điểm này, dòng

điện của mạch cung cấp sẽ bằng không trong khi dòng điện qua động cơ

vẫn khác không và dòng trung bình của động cơ vẫn luôn lớn hơn dòng

điện trong mạch cung cấp, trừ khi tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100% Ở tỷ lệ

100% "on" này, dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau Mạch

đóng cắt tức thời này ít bị tổn hao năng lượng hơn mạch dùng điện trở

Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiển kiểu điều chế độ rộng

xung (pulse width modulation, or PWM), và thường được điều khiển bằng

vi xử lý

Phương pháp điều 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 vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.

Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng của sườn

dương hay sườn âm

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà thường hay

gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển

độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự

ổn định tốc độ động cơ

Như trên hình, với dãy xung điều khiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên động cơ chạy chậm Nếu độ rộng xung ON càng lớn (như dãy xung thứ 2 và thứ 3) động cơ DC chạy càng nhanh và một số đặc điểm sau:

- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra

- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính

- Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM

Hình 1.1

1.4 Tìm hiểu các linh kiện có trong đề tài

1.4.1 Vi điều khiển AT89C51

1.4.1.1 Giới thiệu chung

Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng

trăm biến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó

phải kể đến các đại gia trong làng bán dẫn (Semiconductor) như ATMEL, Texas

24V

24V 24V

Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit.

Đặc điểm và chức năng hoạt động của IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự như nhau, ở đây đây ta giới thiệu AT89C51.

AT89C51 là phiên bản 8051 có ROM trên chíp là bộ nhớ Flash phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể xóa được trong vài giây.

AT89C51 được thiết kế với clock tĩnh cho hoạt đôộng có tần số giảm xuống

0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng phần mền chế độnghỉ dừng của CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ định thời / đếm , port nối tiếp và hệ thống ngắt vẫn tiếp tục hoạt động Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác của chip cho đến khi reset cứng tiếp theo

Các đặc điểm của 89C51RD2 được tóm tắt như sau :

+ 1KB bộ nhớ RAM có thể lập trình lại được , có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xóa

+ Tần số hoạt động từ 12Hz đến 33MHz

+ 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

+ 2 bộ Timer/counter 16 bit

+ 128 Bytes RAM nội

+ Giao tiếp nội tiếp

+ 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

+ 64 KB vùng nhớ mã ngoài

+ 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

+ Họ vi điều khiển 8 bit

+ Bộ nhớ : 64 Kb Flash, 1792 Bytes SRAM

+ Timer/Counter : 1 bộ 16 bit

+ 3 kênh PWM

+ 9 nguồn ngắt với 4 mức ưu tiên ngắt

+ Giao diện kết nối : SPI, USART

+ Kiểu chân : PLCC44, VQFP44, PLCC68, VQFP64

+ Xử lý Booleam (hoạt động trên bit đơn)

+ 4 micro giây hoạt động nhân hoặc chia

+ 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

AT89C51RD2 có 32 chân có chức năng như các đường xuất nhập trong đó có

24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng ), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ

• Các thanh ghi bộ định thời (Timer):

AT89C51 có hai thanh ghi bộ định thời/đếm 16 bit được dùng cho định thời hoặc đếm sự kiện.

- Thanh ghi chế độ định thời (TMOD) :

MSB LSB

Gate C/

T

M1 M0Gate C/T M1 M0

Không được định địa chỉ bit

Được dùng để định chế độ hoạt động cho các timer

+ T/C : bit chọn chức năng đếm hoặc định thời cho timer

+ Gate : bit điều khiển cổng cho bộ định thồi

- Thanh ghi điều khiển định thời TCON (Timer control) ::

MSB LSB

TF1 TR1 TF0 TR

0

IE1

IT1

IE0IT0

Chứa các bit điều khiểu và trạng thái của timer 0 và 1 ở 4 bit cao , 4 bit thấp đượcdùng cho chức năng ngắt (interrupt)

Chức năng từng bit :

+ TFx : cờ tràn của timer x (x là 0 hay 1)

+ TRx = 0 : không cho phép timer chạy

+ TRx = 1 : cho phép timer chạy

• Các thanh ghi port nối tiếp (serial port)

+ Thanh ghi SBUF ( Serial Buffer) :

- ở địa chỉ 99H là bộ đệm nhập xuất nối tiếp Khi xuất dữ liệu thì ghi lên SBUF, khi nhập dữ liệu thì đọc từ SBUF

- các chế độ hoạt động khoác nhau của port nội tiếp được lập trình thông qua

thanh ghi điều khiển port nối tiếp SCON (Serial Control) ở địa chỉ 98 H Đây là thanh ghi được định địa chỉ từng bit

+ Thanh ghi điều khiển port nối tiếp SCON

thông đa xử lý ở các chế độ 2 và 3 ; bit RI sẽ không được tích cực nếu bit thứ 9 nhận được là 0

+ REN : bit cho phép thu

REN = 1 : cho phép thu

REN = 0 : không cho phép thu.

+ TB8 : bit phát thứ 9 ( ở chế độ 2 và 3), có thể đặt và xóa bằng phần mền

+ RB8 : bit thu thứ 9 (ở chế độ 2 và 3), có thể đặt và xóa bằng phần mền

• Các thanh ghi ngắt (Interrupt):

- 8031/8051 có 5 nguồn ngắt :

+ 2 ngắt ngoài : ngắt ngoài 0 : qua chân 0INT (P3.2)

Ngắt ngoài 1 : qua chân 1INT (P3.3)

+ 3 Ngắt trong : ngắt timer 0

Ngắt timer 1

• Ngắt port nối tiếp.

*Các thanh ghi liên qua đến ngắt :

a Thanh ghi cho phép ngắt IE (Interrupt Enaple)

MSB LSB

- Được định địa chỉ bit

- Chức năng từng bit :

EA : cho phép toàn bộ

ET2 : cho phép ngắt timer 2 (nếu có)

ES : cho phép ngắt port nối tiếp

ET1 : cho phép ngắt timer 1

EX1 : cho phép ngắt ngoài 1

ET0 : cho phép ngắt timer 0

EX0 : cho phép ngắt ngoài 0

Để cho phép 1 nguồn ngắt , cần phải có :

+ EA = 1

+ Bit cho phép ngắt tương ứng bằng 1

+ Thanh ghi ưu tiên ngắt IP (Interrupt Priority)

MSB LSB

- Được định địa chỉ bit

- Bit = 1 : mức ưu tiên cao

- Bit = 0 : mức ưu tiên thấp

- Mặc nhiên sau khi reset, tất cả các ngắt ở mức ưu tiên thấp

- Nếu 2 ngắt với mức ưu tiên khác nhau xuất hiện đồng thời, ngắt có mức ưu tiên cao sẽ được phục vụ trước Đồng thời, ngắt có 2 mức ưu tiên cao cũng có thể tạmdừng chương trình phục vụ ngắt của ngắt có mức ưu tiên thấp

- Nếu các ngắt có cùng mức ưu tiên xuất hiện đồng thờim, việc xác định ngắt nào được phục vụ trước sẽ theo thứ tự : ngắt ngoài 0, ngắt timer 0, ngắt ngoài 1, ngắt timer 1, ngắt port nối tiếp, ngắt timer 2 (đối với 8032/8051)

+ Thanh ghi TCON

MSB LSB

- Định địa chỉ bit

- Chức năng các bit có liên quan đến ngắt ( intereupt)

+ IEx : cờ ngắt ngoài x (IEx = 1 tạo ngắt ngoài x)

+ITx : bit xác định loại tác động ngắt ngoài x :

ITx = 0 : tác động mức 0

ITx = 1 : tác động cạnh xuống

1.4.2 Động cơ một chiều

Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh(stato) và phần động(roto)

- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

- Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi

- Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra

1.4.4 MOSFET IRF 540

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field

Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với

Transistor thông thường mà ta đã biết Mosfet thường có công suất lớn hơn rất

nhiều so với BJT Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở

Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện,

là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

Hình 1.2 Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn ,còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G vàcực S ( UGS )

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu

ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

1.4.5 Mạch mã hóa 74LS147

IC 74148 là IC mã hóa ưu tiên 8 đường sang 3 đường, vào/ ra tác động thấp,

có các ngã nối mạch để mở rộng mã hóa với số ngã vào nhiều hơn Mạch mã hoá

8 đường sang 3 đường còn gọi là mã hoá bát phân sang nhị phân (có 8 ngõ vào chuyển thành 3 ngõ ra dạng số nhị phân 3 bit Trong bất cứ lúc nào cũng chỉ có 1 ngõ vào ở mức tích cực tương ứng với chỉ một tổ hợp mã số 3 ngõ ra; tức là mỗi

1 ngõ vào sẽ cho ra 1 mã số 3 bit khác nhau Với 8 ngõ vào (I0 đến I7) thì sẽ có 8

tổ hợp ngõ ra nên chỉ cần 3 ngõ ra (Q2, Q1, Q0)

Bảng 1.3 Bảng chân lý 74148

1.4.6 IC so sánh LM339

Mô tả chung LM339 gồm 4 bộ so sánh điện áp độc lập, với điện áp offset thấp

cỡ 2mV cho cả 4 bộ so sánh Chúng được thiết kế để hoạt động từ một nguồn đơn

có vùng điện áp rộng nhưng cũng có thể hoạt động từ nguồn kép Nguồn cấp cho cực máng thấp và độc lập với biên độ điện áp cung cấp Bộ so sánh này có điểm nổi bật là vùng điện áp mode chung đầu vào bao gồm cả đất, ngay cả khi hoạt

động từ nguồn đơn Ứng dụng của LM339 bao gồm các bộ so sánh, các bộ

chuyển đổi tương tự sang số đơn giản, máy phát xung vuông, các bộ đa rung và cổng logic số điện áp cao LM339 được thiết kế với giao diện trực tiếp TTL và CMOS Khi hoạt động từ nguồn cộng trừ, nó sẽ được thiết kế với giao diện trực tiếp MOS, trong đó nguồn cực máng thấp của LM339 là một lợi thế so với các bộ

Vi mạch MAX 232 có hai bộ đệm và hai bộ nhận Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điều khiển việc xuất ra dữ liệu ở cổng nối tiếp khi cần thiết, được nối với chân 9 của vi mạch MAX 232 Còn chân RST (chân 10 của vi mạch MAX ) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển quá trình nhận Thường thì các đường dẫn bắt tay được nối với cổng nối tiếp qua các cầu nối, để khi không dùng đến nữa có thể hở mạch các cầu này Cách truyền dữ liệu đơn giản nhất là chỉ dùng bađường dẫn TxD, RxD và GND (mass)

1.4.8 Khối thạch anh

Tùy thuộc vào chức năng bộ dao động tinh thể được phân thành nhiềuloại, trong đề tài sử dụng loại loại Crystal oscillator (Bộ dao động tinh thể) là linh kiện điện tử chủ động nó có thể tạo ra tín hiệu xung nhịp tần số ổn định cao ở mức ppm (part per million: phần triệu) Một bộ dao động tinh thể thạch anh nói chung bao gồm một tinh thể thạch anh cộng hưởng, một vi mạch (IC) và một số thành phần thụ động bổ sung

Thạch anh được nối với 2 tụ ở 2 chân thạch anh ở các chip vi xử lý dùng để hỗtrợ mạch dao động bên trong chip Thay đổi giá trị tụ này sẽ làm sai lệch tần số xung clock của chip Nếu dùng thạch anh loại gốm thì tụ là 33p.Chọn tần số thạchanh là 11.0592Mhz

Hình 1.4

1.4.9 Cảm biến hồng ngoại

Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng Người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồntha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như trong đề tài sử dụng bóng đèn làm nguồn nhiệt tạo điện áp cho mạch so sánh