điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng phương pháp điều chế xung PWM dùng vi xử lí 8051

I.NHIỆM VỤ Yêu cầu đề tài: Tính toán,Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều Mạch cầu công suất nhỏ gồm 2 phần: - Thay đổi,điều chỉnh tốc độ động cơ:  Sử dụng phương pháp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung và các thầy cô giáo trong viện Điện, bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho

em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Quốc Cường, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho

em trong quá trình học tập và công tác sau này

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong viện thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Hà Nội, ngày 4 tháng 11 năm 2014

Sinh Viên Thực Hiện

Trần Ngọc Phú Nguyễn Ngọc Thịnh Nguyễn Tá Tiến

MỤC LỤC

I.NHIỆM VỤ 4

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 5

2.Phương pháp PWM 9

3.Cơ bản về mạch cầu H 10

4.Tìm hiểu về MOSFET 11

a.khái niệm 11

b.Cấu tạo chung của Mosfet 12

c.Ưu nhược điểm 12

d.Nguyên lí hoạt động 12

5.Tìm hiểu về vi điều khiển AT89S52 13

a Giới thiệu về AT89S52 13

b Cấu trúc bus 13

d Ngắt 13

e Bộ định thời/ bộ đếm ( Timer/Counter) 14

III.THIẾT KẾ MACH 15

1 Lựa chọn linh kiện-phương án thiết kế mạch lực: 15

2.Thiết kế mạch điều khiển 19

3.Code cho IC AT89S52 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 23

I.NHIỆM VỤ

Yêu cầu đề tài:

Tính toán,Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều ( Mạch cầu công suất nhỏ) gồm 2 phần:

- Thay đổi,điều chỉnh tốc độ động cơ:

 Sử dụng phương pháp điều chế xung PWM

 Sử dụng mạch cầu H

 Có đảo chiều

Đối tượng cần điều khiển:

-động cơ 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có:

 Uhđ =3-24V

 Ihđ=0.3-2,4 A

 Rư=10 Ω

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Theo lý thuyết truyền động điện ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều:

( )

Từ phương trình trên ta thấy tốc độ động cơ n phụ thuộc vào từ thông θ, điện trở phần ứng R, điện áp phần ứng ,Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều ta có thể áp dụng các cách:

 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông θ

 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng

 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động

cơ

a Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông θ

Hình 1 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

ở phương pháp này ta giữ nguyên giá trị điện áp và tổng trở phần ứng,thay đổi

từ thông của động cơ

Đồ thị hình1 trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng với các giá trị khác nhau của từ thông Khi từ thông giảm thì n0 tăng nhưng Δn còn tăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau Chúng sẽ cùng hội tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Ingắn mạch= (U/Rư) Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ ở vùng cao

b Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rftrên mạch phần ứng

Hình 2 Đồ thị đặc tính khi tải thay đổi

Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất vô ích và giảm hiệu suất Thường áp dụng để hạn chế dòng khi khởi động hoặc khi hãm

c Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Hình 3 Đồ thị đặc tính khi thay đổi điện áp

ở phương pháp này ta giữ nguyên từ thông và điện trở phụ,thay đổi giá trị của

Phương pháp này cho ta 1 họ các đường đặc tính cơ song song.Tuy nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp Uư Khi giảm Uư thì n0 giảm nhưng Δn = const nên tốc độ n giảm

tỉ lệ thuận với điện áp phần ứng Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức Nếu lớn hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ kết luận:

-ở đây chúng ta sẽ áp dụng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ động cơ trên

-nguồn điện thay đổi bằng cách sử dụng phương pháp điều chế xung PWM với mạch lực là mạch cầu H sử dụng MOSFET

2.Phương pháp PWM

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 trung bình Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm

Hình 4.Đồ thị dạng xung và dòng khi điều chế PWM

Như hình 4, với dãy xung điều khiển trên cùng, xung ON có độ rộng nhỏ nên dòng

ra dao động mạnh đồng thời có giá trị nhỏ động cơ chạy chậm Nếu độ rộng xung ON càng lớn thì động cơ DC chạy càng nhanh

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta 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

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử PWM cũng chính là nhân tố mà các đội Robocon sử dụng

để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ

Để có thể tạo ra chuỗi xung vuông có thể thay đổi được độ rộng như trên ta dùng mạch cầu H với các phần tử MOSFET được điều khiển bởi vi xử lý

3.Cơ bản về mạch cầu H

Mạch cầu H cấu tạo bởi 4 Transistor lưỡng cực BJT hay là Transistor trường MOSFET Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 Transistor lưỡng cực BJT và 2 Transistor trường MOSFET

Tác dụng của Transistor lưỡng cực BJT và Transistor trường MOSFET là các van đóng

mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn Tín hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ ( Điện áp với MOSFET hay dòng điện với BJT) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải

Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải nên nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động cơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ một cách đơn giản Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mình muốn

Nguyên tắc hoạt động chung của mạch cầu H:

Hình 5.Mạch cầu H

Trong hình 5, mạch cầu sử dụng 4 khóa đóng mở là L1,L2,R1,R2, “Đối tượng” là động

cơ DC cần điều khiển, “Đối tượng” có 2 đầu A và B Mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “Đối tượng” theo chiều A => B hoặc B => A Thành phần chính của mạch cầu là 4 khóa L1, L2, R1, R2 Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở” mạch cầu H không hoạt động Sau đó ta khảo sát hoạt động của mạch cầu H theo 2 hình a, b

Giả sử khóa L1 và R2 “khóa” (L2 và R1 “mở”), sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng từ A

=> B như hình a Ngược lại, nếu L1 và R2 “mở “ ( L2 và R1 “khóa”) sẽ có dòng điện

chạy qua “đối tượng” từ B => A như hình b Vậy chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều “đối tượng” một cách dễ dàng

Ưu, nhược điểm của mạch cầu H:

Ưu điểm: Sử dụng cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản hơn và chỉ cần 1 nguồn điện

Nhược điểm: Nếu như mạch điều khiển cùng bật thì 2 công tắc ở cùng 1 nửa cầu

sẽ bị ngắn mạch Nếu hiện tượng xảy ra trong một thời gian ngắn (quá độ) sẽ xuất hiện dòng trùng dẫn qua van công suất làm tăng công suất tiêu tán trên van Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn sẽ làm cháy van công suất

Các khóa L1,L2,R1,R2 ta dùng bằng các Transistor trường MOSFET theo yêu cầu của

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 hay làm phần tử đóng cắt

b.Cấu tạo chung của Mosfet

Transistor trường có ba chân cực là cực Nguồn ký hiệu là chữ S (source); cực Cửa

ký hiệu là hữ G (gate); cực Máng ký hiệu là chữ D (drain) Cực nguồn (S): cực nguồn mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS Cực máng (D): là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh Cực cửa (G): là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh

c.Ưu nhược điểm

Ưu điểm

+ Dòng điện qua transistor trường nói chung chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên

+ FET có trở kháng vào rất cao

+ Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với tranzito lưỡng cực

+ Nó không bù điện áp tại dòng ID = 0 và do đó nó ngắt điện tốt

+MOSFET có 2 loại là MOSFET kênh N và kênh P

- Đối với kênh P:Chế độ làm việc bình thường Uds<0

Điện áp điều khiển mở MOSFET là Ugs:

 Khi Ugs< <0 MOSFET mở dẫn dòng từ S→D

 Khi Ugs≥ MOSFET khóa

-Đối với kênh N:Chế độ làm việc bình thường Uds>0

Điện áp điều khiển mở MOSFET là Ugs:

 khi Ugs> >0 MOSFET mở dẫn dòng từ D→S

 Khi Ugs≤ MOSFET khóa

Xung điều khiển PWM ở đây ta dùng vi xử lý AT89s52 để điều khiển đóng mở MOSFET

5.Tìm hiểu về vi điều khiển AT89S52

a Giới thiệu về AT89S52

Bắt đầu xuất hiện năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biến thể được sản xuất bởi 20 hãng khác nhau, ví dụ như: ALMEL, Texas Instrument, … Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ALMEL là AT89C51, AT89C52…v…v… đã có thời gian xuất hiện khá lâu và được sử dụng rộng rãi trong các loại vi điều khiển 8 bit

b 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 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 bus dữ liệu như vậy, các chip họ 8051 có thể xử lý các toán hạng 8 bit trong 1 chu kỳ lệnh

c Cổng vào ra song song (I/O port)

8051 có 4 cổng vào ra song song, có tên lần lượt là P0, P1, P2, P3 Tất cả các cổng này đều là cổng 2 chiều 8 bit Các bit của mỗi cổng là 1 chân trên chip, như vậy mỗi cổng

sẽ có 8 chân trên chip

Liên quan đến mỗi cổng vào/ ra song song của 8051 chỉ có 1 thanh ghi SFR ( thanh ghi có chức năng đặc biệt) có tên trùng với tên cổng Ta có các thanh ghi P0 dùng cho cổng P0, thanh ghi P1 dùng cho cổng P1… Đây là các thanh ghi đánh địa chỉ đến từng bit, do đó ta có thể dùng các lệnh tác động bit đối với bit của các thanh ghi này

Cổng P0 không có điện trở treo cao (pullup resistor) bên trong, mạch lái tạo mức cao chỉ có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/dữ liệu Nếu muốn

sử dụng cổng P0 làm cổng vào/ra thông thường, ta phải thêm điện trở pullup bên ngoài Giá trị điện trở pullup thường từ 4K7 đến 10K

Các cổng P1,P2,P3 đều có điện trở pullup bên trong, do đó có thể dùng với chức

năng cổng vào/ra thông thường mà không cần có điện trở pullup bên ngoài

d Ngắt

8051 có một số lượng khá ít các nguồn ngắt (interrupt source) hoặc có thể gọi là các nguyên nhân ngắt Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng, đó là một địa chỉ cố định nằm trong một bộ nhớ chương trình, khi ngắt xảy ra, CPU sẽ tự động nhảy đến thực hiện lệnh nằm tại địa chỉ này Bảng tóm tắt các ngắt trong 8051:

về giá trị min (thông thường min = 0) Sự kiện này được hiểu là sự kiện tràn timer (overflow) và có thể gây ra ngắt nếu ngắt tràn timer được cho phép (bit Etx trong thanh ghi IE=1)

III.THIẾT KẾ MACH

1 Lựa chọn linh kiện-phương án thiết kế mạch lực:

Ta có đối tượng cần điều khiển là động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có thông số:

Hình 7:Cách mắc MOSFET không hiệu quả

 Từ Hình 7 ta thấy khi ta sử dụng MOSFET kênh P ở vị trí L2,R2 thì điện áp cần cấp cho chân G để mở MOSFET là Ug < Ungưỡng + Us.Còn khi sử dụng MOSFET kênh N ở vị trí L1,R1 thì điện áp cần cấp cho chân G để mở MOSFET

là Ug > Ungưỡng + Us.Trong đó,để điều khiển động cơ hiệu quả,MOSFET phải hoạt động ở chế độ bão hòa,khi đó MOSFET mở hoàn toàn,điện áp rơi giữa cực D

và S rất nhỏ có thể coi Ud=Us.Vậy ta cần 1 điện áp nhỏ hơn đất hoặc lớn hơn nguồn cấp cho động cơ để điều khiển đóng mở MOSFET hoàn toàn khi mắc như trên(Hình 7)

Chọn MOSFET:

- Động cơ có Ihđ= 0,3-2,4 A.Dây quấn động cơ có thể chịu được dòng Imax = 2,5 Ihđ

- Điện áp tối thiểu MOSFET phải chịu là 6V

- Tần số đóng cắt của MOSFET là 1KHZ

Do những yêu cầu trên ta có thể chọn 2 loại MOSFET phổ biến trên thị trường là:

MOSFET kênh N: IRF540

MOSFET kênh P: IRF9540

2 loại trên có thông số:

UDSmax=100V

IDmax = 23A

PDmax= 100W

 Thỏa mãn yêu cầu

MOSFET kênh N ta có thể điều khiển đóng cắt trực tiếp bằng áp 0;5V Do điều khiển bằng vi xử lý 89S52 có dòng ra port 2 max = 15mA để tránh dòng dò MOSFET làm cháy

vi xử lý, lắp thêm trở R2, R4 có giá trị:

(R2,R4)min=

= 333

( Trên thực tế nên mắc trở lớn, chọn R2, R4 có giá trị 1KΩ)

2 MOSFET kênh P để khóa cần áp 12V nên dùng 2 Transistor lưỡng cực BJT tăng áp điều khiển Yêu cầu transistor: chịu áp max 12V => chọn 2 transistor NPN : 2N3904 có:

VCEmax= 40V

ICmax= 200mA

- Độ rộng xung điều khiển x:

Điện áp tối thiểu để động cơ hoạt động được là 3V,ở đây ta dùng điện áp 12V làm nguồn,vậy độ rộng xung tối thiểu là:

X1=(3/12).100%=25%

- Do vậy để động cơ hoạt động tốt và vùng thay đổi tốc độ rõ rệt ta chọn 3 cấp độ rộng xung là 40%,60% và 80%

- Để transistor hoạt động đóng cắt hiệu quả thì :

 Nó phải hoạt động ở chế độ bão hòa,hay < ( là hệ số khuếch đại tĩnh )

 Vì Transistor là phần tử điều khiển cấp áp đóng mở cho MOSFET lên nó phải hoạt động linh hoạt,do vậy tuy hoạt động ở chế độ bão hòa nhưng không được quá sâu,hay:

2.Thiết kế mạch điều khiển

Hình 10:Mạch điều khiển

Mạch điều khiển sử dụng IC AT89S52 làm mạch tạo xung vuông điều khiển ra ở port 2 như hình 10

 3 phím bấm button nối với các port 1.0 ;1.1 ;1.2 để thay đổi 3 cấp độ rộng xung

 1 phím bấm button nối với port 3.2 để đảo chiều động cơ

3.Code cho IC AT89S52

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Thiêt kế mạch điện tử công suất

Tác giả: Phạm Quốc Hải

2 Điện tử công suất

Tác giả: Trần Trọng Minh

3 Slide: Các Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)

Tác giả: Ths Hà Xuân Hà

4 Điện tử tương tự

Tác giả: Nguyển Trinh Đường

Lê Hải Sâm

Lương Ngọc Hải Nguyễn Quốc Cường 5.Datasheet các linh kiện MOSFET IRF540,IRF9540

Transistor 2N3904

IC AT89S52

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………