đồ án thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

mạch điều khiển tốc độ dùng nguồn 1 chiều Máy biến áp: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có cùng tần số và giá trị thích hợp với yêu cầu. Mạch chỉnh lưu: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều U= không bằng phẳng ( đập mạch). Bộ lọc: có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch thành điện áp một chiều U 01 ít nhấp nhô hơn. Bộ ổn áp (ổn dòng) một chiều : có nhiệm vụ ổn định điện áp ( dòng điện) ở đầu ra U 02 ( I t ) không đổi.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN - -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC ĐƠN GIẢN

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 3

Lời mở đầu

Ngày nay, các thiết bị điện tử trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọngtrong đời sống con người Ví dụ quanh ta có rất nhiều sản phẩm như lò vi sóng, nồicơm điện, điều hòa cho đến ô tô, máy bay, tàu thủy, các đầu đo, cơ cấu chấp hànhthông minh, robot v.v… Ta có thể thấy hiện nay thiết bị điện tử có mặt ở mọi nơitrong cuộc sống của chúng ta

Qua những môn học đã được học tại trường giúp em hiểu hơn về những thiết

bị điện tử mà em đã được tiếp xúc nhưng không biết cấu tạo và làm thế nào để tạo

ra chúng, nhưng thông qua việc bắt tay vào làm Đồ án 1, tìm hiểu và thực hiện đềtài “ Thiết kế mô hình khí động học đơn giản” , đã giúp em hiểu kĩ hơn những gìmình đã được học thông qua đó nâng cao hiểu biết của bản thân

Bản báo cáo bao gồm năm phần:

• Nêu ý tưởng và hướng giải quyết vấn đề

• Lựa chọn linh kiện

• Viết chương trình và thiết kế mạch mô phỏng mạch

• Thiết kế mạch thực và mô hình hầm gió

• Hoàn thiện sản phẩm

trình bày chi tiết quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn thầy Cung Thành Long đã tận tình hướng dẫn vàgiúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều sai sót trongquá trình thực hiện đề tài, rất mong được sự bổ sung đóng góp của thầy cô và cácbạn

Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Bắc

Nguyễn Văn Tiến

Trần Văn Tuấn

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Lời mở đầu 1

Phần một: Nêu ý tưởng 4

Phần hai: Lựa chọn linh kiện 6

1 Khối nguồn 6

2 Khối điều khiển 9

3 Khối chấp hành 10

3.1 Giới thiệu 10

3.2 Các loại động cơ điện 11

3.3 Phương pháp điều khiển 20

3.4 Đánh giá động cơ điện 20

3.5 Lựa chọn động cơ 23

3.6 Sơ lược về phương pháp diều chế xung PWM 35

4 Khối xử lý 37

4.1 Khái niệm chung 37

4.2 Các họ vi điều khiển 39

4.3 Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MCS-51 (8951) 40

4.4 Khảo sát sơ đồ chân của vi điều khiển 8951 41

4.5 Cấu trúc bên trong vi điều khiển 47

4.6 Hoạt động TIMER của 8951 54

4.7 Các nhóm lệnh của 8951 61

5 Khối hiển thị và báo hiệu 63

5.1 Màn hình text LCD 63

5.2 Đèn led 68

5.3 Còi chíp 69

Phần ba: Viết chương trình và thiết kế mạch mô phỏng 77

1 Viết chương trình 77

2 Thiết kế mạch mô phỏng 77

Phần bốn Thiết kế mạch thực và mô hình hầm gió 78

1 Thiết kế mạch 78

2 Thiết kế mô hình hầm gió 78

Phần năm Hoàn thiện sản phẩm 80

Phần sáu Các phụ lục 81

Phụ lục 1: Bộ nhớ Data trên Chip 81

Phụ lục 2: Các lệnh của 8051 82

Phụ lục 3 : Các lệnh của LCD 87

Phụ lục 4: code chương trình 91

Phụ lục 5 Kết quả chạy mạch mô phỏng 99

Phụ lục 6: Giá một số linh kiện được sử dụng: 102

Tài liệu tham khảo 103

Phần một: Nêu ý tưởng

Xuất phát từ nhiệm vụ thư :” Thiết kế mô hình khí động học đơn giản Cụ

thể là mô hình một buồng thông gió để kiểm tra tốc độ gió tác động lên đối tượng

là máy bay Từ đó đưa ra tín hiệu cảnh báo mức độ nguy hiểm.” nhóm em đã xây

dựng ý thiết kế một hệ thống hoạt động ở chế độ điều khiển bằng tay thông qua cácphím bấm tăng hoặc giảm Sử dụng một động cơ điện một chiều để làm quạt gióthổi trực tiếp vào trong buồng gió Khi hệ thống được cấp nguồn, động cơ sẽ quay.Đầu tiên tốc độ quay là thấp nhất sau đó tốc độ sẽ tăng dần lên bằng cách bấm núttăng làm tốc độ gió thổi vào trong hầm gió cũng tăng lên tương ứng Ở đây ta chialàm 5 cấp Từ cấp 1 đến cấp 4 ta sử dụng 4 đèn led để mỗi lần tăng lên 1 cấp thì cóthêm 1 đèn led sáng đồng thời hiển thị lên màn hình LCD mức hiện tại Khi tănglên cấp thứ 5 là cấp gió mà cánh máy bay cũng như các kết cấu cơ khí không chịuđược áp lực cơ khí có thể bị bẻ cong, vặn xoắn thì sẽ được báo bằng một đèn led

có màu sắc khác bốn đèn led còn lại kèm theo tín hiệu còi vang lên để người điềukhiển biết giảm tốc độ động cơ thông qua đó xác định được giới hạn tốc độ có thểgây nguy hiểm để đưa ra phương án thiết kế hợp lí

Sơ đồ khối:

Cách hoạt động của hệ thống:

Tín hiệu điều khiển được đưa ra từ khối điều khiển thông qua phím ấn tăng,giảm Tín hiệu này được đưa đến khối chấp hành là một động cơ điện một chiều.Động cơ này sẽ quay và sau đó tín hiệu sẽ được gửi tới khối xử lý sử dụng 89s52

Tín hiệu qua khối xử lý được đưa tới khối hiển thị và báo hiệu 5 đèn led được nốivới cổng p0 của vi xử lý để thể hiện cấp độ gió, một màn hình LCD nối với cổngp3 để hiển thị tốc độ gió hiện tại Khi tốc độ quay tăng lên đến mức nguy hiểm vi

xử lý sẽ gửi tín hiệu làm đèn led nháy còi báo động vang lên yêu cầu giảm tốc độcủa động cơ Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn từ khối nguồn một chiều 5v

Phần hai: Lựa chọn linh kiện

1 Khối nguồn

Khối nguồn có chức năng biến đổi điện áp để cung cấp nguồn điện ổn định chotoàn bộ hệ thống Có nhiều phương án lựa chọn khối nguồn cấp điện cho hệ thốngnhư dùng nguồn một chiều từ pin, acquy, mạch nguồn chỉnh lưu…

- Sử dụng pin hoặc acquy có ưu điểm là đơn giản nhưng không linh hoạt

- Sử dụng mạch nguồn chỉnh lưu tuy phức tạp trong việc thiết kế phần cứngnhưng nhỏ gọn, dễ dàng lựa chọn điện áp ra theo yêu cầu thiết kế

=> Vì vậy nhóm em lựa chọn mạch ngồn chỉnh lưu

Mô hình mạch chỉnh nguồn chỉnh lưu:

- Mạch chỉnh lưu sử dụng là mạch chỉnh lưu cầu đơn giản và phổ biến

- Đối với mạch ổn áp có thể sử dụng ổn áp loại bù tuy nhiên sẽ gặp khó khăntrong việc thiết kế nên nhóm em chọn sử dụng bộ ổn áp dùng IC tuyến tính

vì đơn giản giá rẻ phổ biến trên thị trường Theo yêu cầu thiết kế điện áp đầu

- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

- Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

Nếu đặt Ui quá cao làm công suất tiêu tán trên IC lớn -> giảm hiệu suất

Với 7805 thì cần có lối vào ít nhất là 7V

- Công suất tiêu tán max 2W

- Dòng max 1A

- Chênh lệch áp vào ra tối thiểu (Ui - Uo) = Pd / I = 2 V

2 Khối điều khiển

Khối điều khiển ( phần cứng) bao gồm hệ thống nút nhấn để điều chỉnh tốc

độ quay của động cơ, qua đó điều chỉnh tốc độ gió theo mong muốn

Nút nhấn bao gồm: nút on/off, nút tăng(up), nút giảm (down) và nút reset Trên thị trường có rất nhiều loại nút nhấn, đa dạng mẫu mã, ở đây ta sử dụng loạinút nhấn 2 chân vì mục đích sử dụng chỉ ấn nhả, chi phí thấp mà hoạt động ổn định

Đề cử loại nút nhấn 2 chân 3x6x2.5mm SMD có giá trên thị trường là 1000đ/cHình ảnh cho loại nút nhấn 2 chân

Hình 2.1 Nút nhấn 2 chân

3 Khối chấp hành

Sử dụng một động cơ điện để tạo nguồn gió thổi vào trong đường hầm Trênthị trường có rất nhiều loại động cơ điện Có thể lựa chọn loại động cơ phù hợptrước tiên cần tìm hiểu về động cơ điện

3.1 Giới thiệu

3.1.1 Động cơ điện được sử dụng ở đâu

Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ năng

Cơ năng này được sử dụng để, chẳng hạn, quay bánh công tác của bơm, quạt hoặcquạt đẩy, chạy máy nén, nâng vật liệu,vv… Các động cơ điện được sử dụng trongdân dụng (máy xay, khoan, quạt gió) và trong công nghiệp Đôi khi động cơ điệnđược gọi là “sức ngựa” của ngành công nghiệp vì ước tính, động cơ sử dụngkhoảng 70% của toàn bộ tải điện trong ngành công nghiệp

3.1.2 Động cơ điện hoạt động như thế nào

Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyểnđộng (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Phần lớncác động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trênnguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng Cơ chếhoạt động chung ở tất cả các động cơ đều giống nhau:

 Dòng điện trong từ trường chịu tác dụng của một từ lực

tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo phương vuông góc với véc tơđường sức từ

 Các động cơ trên thực tế có một số mạch vòng trên phần ứng để tạo ra các

mô men đồng đều và tạo ra từ trường nhờ sự sắp xếp hợp lý các nam châmđiện, được gọi là các cuộn cảm

Để hiểu rõ về động cơ, cần hiểu được tải động cơ là gì Tải liên quan đến mômen đầu ra của động cơ ứng với tốc độ yêu cầu Tải thường được phân thành banhóm:

 Tải mô men không đổi là tải yêu cầu công suất đầu ra có thể thay đổi cùngvới tốc độ hoạt động nhưng momen quay không đổi Băng tải, lò quay và cácbơm pittông là những ví dụ điển hình của tải mô men không đổi ƒ

thay đổi Bơm ly tâm và quạt là những ví dụ điển hình của tải mô men thayđổi (mô men tỷ lệ bậc hai với tốc độ) ƒ

đổi ngược với tốc độ Những máy công cụ là ví dụ điển hình về tải công suấtkhông đổi

3.2 Các loại động cơ điện

Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúcđộng cơ và cơ chế vận hành

Hình 3.1: Các loại động cơ điện chính3.2.1 Động cơ một chiều

Động cơ một chiều, như tên gọi cho thấy, sử dụng dòng điện một chiều Động cơ một chiều được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô menkhởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc êm ở một dải tốc độ rộng

Động cơ một chiều, gồm ba thành phần chính sau: ƒ

 Cực từ Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều.Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng (đặt trên các ổ đỡ)quay trong không gian giữa các cực từ Một động cơ một chiều đơn giản cóhai cực từ: cực bắc và cực nam Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từcực bắc tới cực nam Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặcvài nam châm điện Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài vàđóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường.

điện Phần ứng, có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải Vớiđộng cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, chođến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với gócquay của phần ứng Khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoaychiều các cực bắc và nam của phần ứng

đảo chiều của dòng điện trong phần ứng Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điệngiữa phần ứng và nguồn điện

Hình 3.2: Động cơ điện một chiều

Ưu điểm của động cơ một chiều là khả năng điều khiển tốc độ mà không làm ảnhhưởng tới chất lượng điện cung cấp Có thể điều khiển động cơ loại này bằng cáchđiều chỉnh: ƒ

 Điện áp phần ứng – tăng điện áp phần ứng sẽ làm tăng tốc độ ƒ

 Dòng kích thích – Giảm dòng kích thích sẽ làm tăng tốc độ

Động cơ một chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng những động cơ loại nàythường được sử dụng giới hạn ở những thiết bị tốc độ chậm, công suất thấp đếntrung bình như các máy công cụ và máy cán Ở công suất lớn, động cơ một chiều

có thể gặp trục trặc với các cổ góp cơ Các động cơ này cũng bị hạn chế chỉ sửdụng ở những khu vực sạch, không độc hại vì nguy cơ đánh lửa ở các chổi than Sovới động cơ xoay chiều, động cơ một chiều cũng khá đắt Mối liên quan giữa tốc

độ, từ thông và điện áp phần ứng được minh hoạ bằng phương trình sau:

Phân loại động cơ điện một chiều

a Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nếu dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng, thì đó là động cơ một chiều kích từđộc lập

Hình 3.3: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ độc lậpTốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vào tải (tới một mô mennhất định, sau đó tốc độ giảm), nhờ vậy loại đông cơ này thích hợp với các ứngdụng với mô men khởi động thấp, như ở các máy công cụ.

Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

U = Eư + IưRư và Iư = I

b Động cơ điện một chiều kích từ song song

Ở động cơ kích từ song song, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối songsong với cuộn dây phần ứng Vì vậy, dòng điện toàn phần của đường dây là tổngcủa dòng kích từ và dòng điện phần ứng

Hình 3.4: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ song songPhương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ song song:

U = Eư + IưRư và Iư = I – Ikt//

c Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ở động cơ nối tiếp, cuộn kích từ (trường kích từ) được nối nối tiếp với cuộndây phản ứng Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với dòng phần ứng Dưới đây là một

số đặc điểm tốc độ của động cơ nối tiếp

Hình 3.5: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ nối tiếp

Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

U = Eư + IưRư + Iktnt Rktnt và Iư = I = Iktnt

d Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động

cơ kích từ song song Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ (trường kích từ)được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng Nhờ vậy, động cơ loại này

có mô men khởi động tốt và tốc độ ổn định Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp (tức là tỷ

lệ phần trăm của cuộn kích từ được đấu nối tiếp) càng cao thì mô men khởi độngcủa động cơ càng cao

Hình 3.6: Sơ đồ điện động cơ điện kích từ hỗn hợp

Phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp:

U = Eư + IưRư + Iktnt Rktnt và Iư = I – Ikt// = Iktnt – Ikt//

3.2.2 Động cơ xoay chiều

Động cơ xoay chiều (AC) sử dụng dòng điện đổi chiều theo chu kỳ Mộtđộng cơ xoay chiều có hai phần điện cơ bản: một “stato” và một “rôto” Stato là bộphận đứng yên và rôto là bộ phận quay, làm quay trục của động cơ

Ưu điểm chính của động cơ một chiều so với động cơ xoay chiều là dễ điềukhiển tốc độ hơn động cơ xoay chiều Bù lại, động cơ xoay chiều có thể được lắpthêm bộ điều khiển biến đổi tần số, tuy nhiên dù thiết bị này giúp cải thiện việcđiều khiển tốc độ nhưng chất lượng điện lại giảm Động cơ cảm ứng (còn gọi làđộng cơ không đồng bộ hoặc dị bộ) là động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp vì

sự chắc chắn và ít yêu cầu về bảo trì hơn Động cơ cảm ứng xoay chiều rẻ tiền (chỉbằng một nửa hoặc non nửa giá của động cơ một chiều cùng công suất) và có hệ số

tỷ lệ công suất: trọng lượng cao (gấp đôi tỷ lệ công suất: trọng lượng của động cơmột chiều)

a Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều, hoạt động ở tốc độ không đổi xácđịnh bởi tần số của hệ thống Động cơ loại này cần có dòng điện một chiều (DC) để

kích thích và có mô men khởi động thấp, vì vậy động cơ đồng bộ thích hợp với cácthiết bị ứng dụng khởi động ở mức tải thấp như máy nén khí, tần số thay đổi haymáy phát điện Động cơ đồng bộ có thể cải hiện hệ số công suất hệ thống, đây là lý

do tại sao chúng thường hay được sử dụng với những hệ thống dùng nhiều điện Các thành phần chính của động cơ đồng bộ bao gồm :

của động cơ đồng bộ quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay Đượcnhư vậy là vì từ trường của rôto không còn tính cảm Rôto có thể được lắpcác nam châm vĩnh cửu hoặc các dòng kích từ một chiều bị giới hạn ở một vịtrí nhất định khi xung đối với từ trường khác ƒ

 Stato Stato tạo ra từ trường quay tỷ lệ với tần số cung cấp

Hình 3.7: Động cơ đồng bộĐộng cơ quay ở tốc độ đồng bộ, cho trong phương trình sau : Ns = 120 f P

Một động cơ không đồng bộ có hai bộ phận điện cơ bản ƒ

 Rôto Động cơ không đồng bộ sử dụng hai loại rôto:

- Rôto lồng sóc bao gồm những thanh dẫn dày đặt tại các rãnh song song.Đầu các thanh này được nối vào vòng đoản mạch

- Một rôto quấn dây có ba pha, hai lớp, cuộn dây quấn Rôto được quấnnhiều cực như là stato Ba pha được nối dây bên trong và các đầu dây nàyđược nối vào vành trượt treo trên một trục có các chổi than

 Stato Stato được ghép từ các vòng dập định hình với các rãnh để chứa cáccuộn dây ba pha Chúng được quấn cho một số cực nhất định Bố trí trongkhông gian của những cuộn dây này lệch nhau 1200

Hình 3.8: Động cơ cảm ứngb.2 Phân loại động cơ không đồng bộ

Có thể phân động cơ không đồng bộ thành hai nhóm chính

bằng nguồn điện một pha, có một rôto lồng sóc và cần một thiết bị để khởiđộng động cơ Hiện nay, đây là loại động cơ phổ biến nhất sử dụng trong cácthiết bị tại gia đình như quạt, máy giặt, máy sấy quần áo và có công suấttrong khoảng 3 - 4 mã lực ƒ

bằng sinh ra Những động cơ loại này có năng lực công suất cao hơn, có thể

có rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn (khoảng 90% là có rôto lồng sóc), và tựkhởi động Ước tính khoảng 70% động cơ trong công nghiệp thuộc loại này,chúng được sử dụng trong máy bơm, máy nén, băng tải, lưới điện công suấtcao và máy mài Chúng thích hợp trong dải từ 1/3 tới hàng trăm mã lực

b.3 Tốc độ của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ hoạt động như sau Điện được cấp vào stato sinh ra

từ trường quay Từ trường chuyển động với tốc độ đồng bộ quanh rôto, tạo ra dòngđiện trong rôto Dòng điện trong rôto tạo ra từ trường thứ hai, có xu hướng chốnglại từ trường stato và làm rôto quay

Tuy nhiên, trên thực tế, động cơ không bao giờ chạy với tốc độ đồng bộ màthường chạy ở mức thấp hơn “tốc độ cơ bản” Sự chênh lệch giữa hai tốc độ này là

“độ trượt”, độ trượt sẽ tăng khi tải tăng Độ trượt chỉ xảy ra ở động cơ không đồng

bộ Để tránh hiện tượng này, có thể lắp vành trượt, những động cơ loại này gọi là

“động cơ có vành trượt” Phần trăm độ trượt được tính bằng phương trình sau

% Độ trượt = Ns−Nb Ns 100Trong đó:

Ns = tốc độ đồng bộ (tốc độ quay của từ trường) vòng/phút

Nb = tốc độ cơ của trục máy vòng/phút

b.4 Mối liên quan giữa tải, tốc độ và mô men quay

Hình minh hoạ đường cong tốc độ của mô men điển hình ở động cơ khôngđồng bộ xoay chiều ba pha với đòng điện cố định Khi động cơ :

 Khởi động: có một dòng khởi động cao và mô men thấp (“mô men kéo”) ƒ

và dòng điện bắt đầu giảm ƒ

 Ở tốc độ toàn phần, hoặc tốc độ đồng bộ, mô men và dòng của stato giảm về

0

Hình 3.9: Đường cong tốc độ - mô men quay của động cơ cảm ứng xoay chiều

3 pha

3.3 Phương pháp điều khiển

Có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện như thay đổi đấu sao sangtam giác, điều khiển bằng thay đổi điện áp, thay đổi số đôi cực từ, và dùng biến tần thay đổi tần số dẫn đến thay đổi tốc độ động cơ

Với các loại khác nhau chúng ta có các phương pháp thay đổi tốc độ khác nhau:

 Động cơ không đồng bộ ba pha dây cuốn : Thay đổi sao – tam giác, thay đổi điện trở đặt vào roto

 Động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc : Thay đổi sao – tam giác, dùng biến tần

 Động cơ một chiều: Thay đổi điện áp, thay đổi bằng mạch băm xung

 Động cơ xoay chiều một pha: Dùng biến tần, thay đổi điện áp…

3.4 Đánh giá động cơ điện

3.4.1 Hiệu suất của động cơ điện

Động cơ chuyển đổi điện năng thành cơ năng để phục vụ tải nhất định Trongquy trình này, năng lượng mất đi được minh hoạ trong hình

Hình 3.10: Tổn thất động cơHiệu suất của động cơ được xác định bởi tổn thất bên trong chỉ có thể giảmbằng cách thay đổi thiết kế động cơ và điều kiện vận hành Tổn thất có thể thay đổi

từ 2%-20% Bảng 1 cho thấy các loại tổn thất ở một động cơ cảm ứng

Bảng 3.1: Các loại tổn thất ở động cơ không dồng bộ

(100%)

Hiệu suất của động cơ có thể định nghĩa là “tỷ số của công suất đầu ra hữu dụngcủa động cơ với công suất đầu ra toàn phần.”

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ bao gồm: ƒ

 Lão hóa: động cơ mới hoạt động hiệu quả hơn ƒ

 Công suất Với phần lớn các thiết bị, hiệu suất của động cơ tăng khi làm việc

ở công suất định mức ƒ

 Tốc độ Các động cơ tốc độ cao hơn thường hiệu quả hơn ƒ

trượt

 Nhiệt độ Động cơ có quạt làm mát hiệu quả hơn so với động cơ có lớp bảo

vệ chống ẩm (SPDP)

 Quấn lại động cơ có thể làm giảm hiệu suất ƒ

 Tải động cơ, được mô tả dưới đây

Giữa hiệu suất và tải của động cơ có mối liên hệ rõ ràng với nhau Các nhàsản xuất thiết kế động cơ vận hành ở mức tải 50-100% và hiệu quả nhất ở mức tải75% Nhưng khi tải giảm xuống dưới mức 50%, hiệu suất sẽ giảm rất nhanh Vậnhành động cơ dưới 50% mức tải cũng có tác động tương tự, nhưng nhẹ hơn đối với

hệ số công suất Hiệu suất của động cơ cao và hệ số công suất gần bằng 1 là mứcvận hành hiệu quả mong muốn và giúp giảm chi phí của toàn bộ dây chuyền chứkhông chỉ riêng với động cơ

Vì lý do trên, khi đánh giá kết quả hoạt động của một động cơ, cần xác định

cả tải và hiệu suất Để đo hiệu suất của động cơ, cần ngắt tải và đem động cơ đến

bộ phận kiểm tra để thực hiện một số kiểm tra Kết quả của những lần kiểm trađược so sánh với thông số hoạt động chuẩn của động cơ do nhà sản xuất cung cấp

3.4.2 Tải của động cơ

a Mục đích đánh giá tải động cơ điện

Bởi vì rất khó đánh giá hiệu suất của động cơ trong điều kiện vận hành bìnhthường, có thể đo tải của động cơ như là một chỉ số đánh giá hiệu suất của động cơ.Khi tải tăng, hệ số công suất và hiệu suất của động cơ tăng lên tới giá trị tối ưu ởquanh mức đầy tải

b Cách đánh giá tải của động cơ

Phương trình dưới đây được sử dụng để xác định tải:

Tải = HP 0,7457 Pi ƞ

Trong đó:

η = Hiệu suất vận hành của động cơ tính bằng %

HP = Mã lực ghi trên nhãn động cơ

Mức tải= Công suất ra chiếm % công suất thiết kế

Pi = công suất ba pha tính bằng kW

Có ba phương pháp để xác định tải của động cơ cho những động cơ vận hành riênglẻ: ƒ

 Đo công suất đầu vào Phương pháp này tính toán mức tải là tỷ số giữa côngsuất đầu vào (đo bằng bộ phân tích công suất) và công suất định mức ở mứctải 100 % ƒ

điện (được đo bằng bộ phân tích công suất) với cường độ dòng điện địnhmức Phương pháp này được sử dụng khi không xác định được hệ số côngsuất và chỉ có sẵn giá trị cường độ dòng điện Người ta cũng đề xuất sử dụngphương pháp này khi phần trăm tải ít hơn 50% ƒ

động cơ đang hoạt động với mức trượt động cơ ở đầy tải Độ chính xác củaphương pháp này hạn chế và chỉ có thể sử dụng phương pháp này với máy

đo tốc độ gốc (không cần sử dụng bộ phân tích công suất)

Vì cách đo công suất đầu vào là phương pháp thông dụng nhất, chỉ có phương phápnày được mô tả cho động cơ ba pha

3.5 Lựa chọn động cơ

Theo nội dung trên có thể thấy rằng động cơ một chiều là phù hợp nhất đốivới mô hình bài toán đưa ra Hơn nữa nó còn rất thông dụng trên thị trường

Vì vậy nhóm em sử dụng loại động cơ một chiều 5V có số hiệu MH001465

 Động cơ làm việc ở điện áp 5VDC

+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích

từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dâyquấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, cáccuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dâyquấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹthuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơđiện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên cáccực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từphụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạogiống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ nhữngbulông

+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏmáy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trongmáy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm

vỏ máy

+ Các bộ phận khác:

quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vàvừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắpmáy thường làm bằng gang

 Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổithan bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặtlên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện

với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than chođúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.

- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau:

+ Phần sinh ra sức điện động gồm có:

 Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau.Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng

nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây đượcnối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cáchđiện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp

Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vàothành cổ góp nhờ lò xo

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuậtđiện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao dodòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặtdây quấn vào Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗthông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ,giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khi máy làm việcgió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vàotrục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto cóthể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điệnđộng và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng cóbọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thường dùng dây cótiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dâyquấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đèchặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit

+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhaubằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn Hai đầu trụctròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cáchđiện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần

tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

3.5.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

a Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanhdẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều củalực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vịtrí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyênlàm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từtrường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác địnhtheo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên

Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư

b Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi làđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 3.12: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư

Trong đó:

Uư: Điện áp phần ứng, V

Eư: Sức điện động phần ứng, V

Rư: Điện trở mạch phần ứng,

Iư: Dòng điện của mạch phần ứng, A

Với: Rư = rư + rcf + rb + rct

rư: Điện trở cuộn dây phần ứng

rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ

rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

E = 2 π a P N øωω = K.∅ ω

Trong đó:

P: Số đôi cực từ chính

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi

Mđt = K .Iư

Với I= Mdt

K ∅ thay giá trị I vào ta có

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng

mô men điện từ, ta ký hiệu là M Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M

Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông∅ = const, thì các phương trình đặctính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính Đồ thị của chúng đượcbiểu diễn trên hình là những đường thẳng

Theo các đồ thị, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: ω= U

K ∅ = ω0 được gọi là tốc độkhông tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 3.13: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều3.5.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

- Thay đổi điện áp phần cứng

- Thay đổi điện trở mạch rotor

- Thay đổi từ thông.

Trên thực tế phương pháp được sử dụng nhiều nhất là thay đổi điện áp phầnứng

a Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng

- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều +) Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm, ∅ = ∅dm vànối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng củađường đặc tính cơ:

+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì βcàng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do

đó càng mềm hơn

Hình 3.14: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ

Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tựnhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy,khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càngmềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.

+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ địnhmức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điệntrở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điệntrong cần trục

+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụlớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

b Phương pháp thay đổi từ thông Ф

- Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổidòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếpbiến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa(Ф = Ф max) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nênchỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùngtrên tốc độ định mức Nên khi giảm Ф thì tốc độ không tải lý tưởng ω0 tăng, còn độcứng đặc tính cơ giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên

Hình 3.15: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông

- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượtquá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện

không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm

Mt theo cùng tỉ lệ

- Đặc điểm của phương pháp:

+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng

+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việcthay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiểnvới công suất không đổi

+) Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên

và dốc hơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Cóthể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1 Vì công suất của cuộn dây kích

từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với ∅ ≈1

+) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục vàkinh tế

Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khicần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển

c Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều bằng 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 phần ứng

Ta có từ thông được giữ không đổi Điện áp phần ứng được cấp từ bộ biếnđổi Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn phần ứng, ta có họ đặc tính cơ ứng vớicác tốc độ không tải khác nhau, song song nhau như hình vẽ đường đặc tính cơ.Như ta biết điện áp chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U < Uđm ) nên phương phápnày chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ

Hình 3.16: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện ápQuá trình điều chỉnh tốc độ được giải thích như sau:

Hình 3.17: Quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ một chiềuGiả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp

U1 trên phần ứng khi giảm điện áp từ U1 xuống U2, động cơ thay đổi điểm làm việc

từ điểm A có tốc độ lớn hơn ωA xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn trên đường đặctính cơ 2 ứng với điện áp U2 Trong khi giảm tốc độ theo cách giảm điện áp phầnứng, nếu giảm mạnh điện áp nghĩa là chuyển nhanh tốc độ cao xuống tốc độ thấpthì cùng với quá trình giảm tốc độ đó sẽ là quá trình hãm tái sinh.Chẳng hạn khiđộng cơ đang làm việc tại điểm A với tốc độ có độ lớn ωA ta giảm mạnh điện ápphần ứng từ U1 xuống U3 Lúc này động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A trên

đường 1 xuống điểm E trên đường 3 vì ωE lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ω03

của đặc tính cơ 3 nên động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên đoạn ECcủa đặc tính 3 Quá trình hãm giúp động cơ giảm tốc độ nhanh Khi tốc độ xuốngthấp hơn ω03 thì động cơ lại làm việc ở trạng thái động cơ lúc này do momen ωD = 0nên động cơ tiếp tục giảm tốc độ cho tới khi đến điểm làm việc F Động cơ chạy ổnđịnh tại F với tốc độ ωf < ωA Khi tăng tốc giả sử động cơ đang làm việc tại điểm I

có tốc độ ωI nhỏ nhất trên đường đặc tính cơ 5 ứng với điện áp U5 trên phần ứng.Tăng điện áp U5 lên U4 động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm I sang điểm G trênđường đặc tính cơ 4 Do momen MG lớn hơn momen tải MC nên động cơ tăng tốctheo đường 4 (đoạn GH ) Đồng thời với quá trình tăng tốc, momen động cơ bịgiảm và quá trình tăng tốc chậm dần Tới điểm H thì momen động cơ cân bằng vớimomen tải và động cơ làm việc ổn định tại điểm H với tốc độ ωH < ωI

- Đặc điểm của phương pháp này:

+ Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ

+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là như nhau Độsụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh Do vậy sai

số tốc độ tương đối của đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép chotoàn dải điều chỉnh

+ Chỉ thay đổi được tốc độ về phía giảm

+ Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra

- Nguyên lý điều khiển:

áp động cơ :

Hình 3.18: Mach điều khiển Trong đồ thị trên :

 idk là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển

Như vậy ta đã có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ.

- Nhận xét: Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điệnmột chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hayđược sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc

độ bằng phẳng và không bị tổn hao

Từ nhận định trên nhóm sẽ chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

để điều khiển tốc độ động cơ, cụ thể là dùng điều chế xung PWM

3.6 Sơ lược về phương pháp diều chế xung PWM

3.6.1 Giới thiệu

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương phápđiều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sựthay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

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

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn củatải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiệnnhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cảsườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải Ta có:

Ud = Umax t 1 T hay Ud = Umax.D

Với D là hệ số điều chỉnh

3.5.3 Ứng dụng

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng tathường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp Sử dụng PWMđiều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn được dùng để điềukhiển sự ổn định tốc độ động cơ

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chếcác 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 đặctính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứngdụng rất nhiều trong các thiết bị điện- điện tử PWM cũng chính là nhân tố mà cácđội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ

4 Khối xử lý

Là một thành phần vô cùng quan trọng, bộ não của các thiết bị điện tử, có

nhiệm vụ tiếp nhận, xử lý thông tin, điều phối hoạt động của các thành phần khác

4.1 Khái niệm chung

Các bộ vi xử lý (Micro Processor – μP) hay vi điều khiển ( Micro Controller- μ

C), ngày nay hết sức đa dạng và rất phổ biến trên thị trường do nhiều hãng sảnxuất

Các bộ vi xử lý ngày nay đều sản xuất theo công nghệ VLSI (Very large ScaleIntegration) Tuy rất đa dạng nhưng nói chung các họ μP và μC đều chứa 4 bộ phận

cơ bản sau:

a Đơn vị số học Logic-ALU để thực hiện các phép tính số học và logic sơ đẳng.lệnh đưa về ALU sẽ chỉ rõ phép tính cần thực hiện, số liệu đưa vào và nơi đưa rakết quả

ALU có khả năng thực hiện các phép tính số học và logic sơ đẳng với các số nhịphân gồm:

- Cộng và trừ;

- Các phép tính logic;

- Phép bù;

- Dịch trái hay dịch phải;

Toán hạng và kết quả của phép tính của ALU được ghi trên thanh ghi chứathanh cộng

b Hệ thống thanh ghi

Bên trong μP có một hệ thống các thanh ghi để chưa thông tin trong quá trìnhhoạt động của μP bao gồm:

- Thanh ghi lệnh IR để chứa nội dung lệnh đang thực hiện

- Thanh ghi đệm để gửi số liệu truyền hoặc địa chỉ đang thực hiện cho đếnkhi lệnh kết thúc

- Thanh ghi đa năng dùng làm bộ nhớ chứa số liệu trung gian

- Thanh ghi đếm chương trình PC là thanh ghi địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽthực hiện.

- Thanh trỏ ngăn xếp SP là vùng nhớ lưu tin tạm thời có tác dụng chỉ địnhmiền nhớ đang sử dụng

c Bộ vi chương trình

Từ kênh số liệu thông tin được đưa vào thanh ghi lênh IR, sau đó đến bộ vichương trình Mỗi lệnh μP nhận và thực hiện đều chứa hàng loạt động tác nhỏ, mỗiđộng tác là một chỉ dẫn thực hiện hay một vi lệnh

Tập hợp tất cả các vi lệnh tạo thành một hệ thống điều hành nhỏ của μP gọi

là vi chương trình Vi chương trình đặc trương cho khả năng cũng như hệ lệnh của

μP Vi chương trình được tổ chức trong μP theo công nghệ ROM

d Đơn vị điều khiển

Là một bộ phận động hồ phát xung điều khiển theo chu kỳ xác định Nhịpcủa đồng hồ tạo ra từ mạch dao động thạch anh, xung nhịp phát từ bộ phận điềukhiển sẽ tạo tín hiệu điều khiển các quá trình trao đổi và chế biến thông tin ở từng

vi lệnh Đồng thời nó nhận các tín hiệu điều khiển từ các phần tử khác đưa đến đểthay đổi trạng thái của μP Đơn vị điều khiển còn thực hiện điều khiển chu kỳ thựchiện các lệnh Mỗi chu kỳ có hai trạng thái cơ bản Trạng thái nhận để chuyển lệnh

từ bộ nhớ vào μP và trạng thái thực hiện

Ngoài ra μP còn có khả năng thực hiện các trạng thái dừng Ở các lệnh bìnhthường μP sẽ quay vòng theo chu kỳ nhận lệnh, thực hiện lệnh Khi gặp lệnh dừng

μP sẽ chuyển sang trạng thái dừng khi gặp lệnh khởi động μP sẽ trở lại sẵn sàngnhận lệnh

Ngoài ra khi kỹ thuật phát triển thì μP ngày càng hoàn thiện người ta tổnghợp nhiều bộ phận chức năng vào bên trong như MUX, A/D, các cổng thông tin,các bộ nhớ ROM, RAM nhằm tăng tốc độ để truy nhập và tạo ra các bộ vi điềukhiển

Ngày nay μP và μC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhaunhư sản xuất máy tính, bưu chính viễn thông, thiết bị gia dụng, trong côngnghiệp.v.v… Có thể nói không một lĩnh vực nào không sử dụng μP và μC

4.2 Các họ vi điều khiển

Trong các thiết bị điện- điện tử hiện nay nhiều loại μP, μC đang được sửdụng Ta có thể liệt kê ra đây một số loại thông dụng cũng như mới nhất hiện nay.

xuất, là loại VĐK 8 bit Cùng một dòng với MCS-51 có AT89C52 vói 8 kB FlashROM ( bộ nhớ chương trình on-chip) và 256 byte bộ nhớ dữ liệu on-chip

- Tiếp đến là loại vi điều khiển PIC của hãng Microchip Technology chế tạotheo công nghệ RISC (công nghệ lệnh rút gọn) có tốc độ CPU đến 20 MHz ( nhanhgấp 4 lần loại 8051)

- Bộ VĐK AVR do hãng ATMEL sản xuất có tốc độ nhanh gấp 8 lần so vớiAT89C51

- Bộ VĐK Psoc do hãng Cypress Micro Systems sản xuất Đây là loại VĐKhiện đại mới xuất hiện vào năm 2002 Có nhiều tính năng nổi trội so với bộ VĐKtrước đó, nhất là cấu hình phần cứng khả trình của nó Ta có thể thấy điều đó thôngqua bảng so sánh sau:

Bảng 4.1: So sánh tính năng của các bộ VĐK

(89C51)

PIC(PIC 16F877A)

AVR(Atmega 8535)

PSoC(CY8C29466)

4.3 Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MCS-51 (8951)

Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương