Đồ án Vi xử lý Thiết kế mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ một chiều dùng Atmega16

Đồ án Vi xử lý Thiết kế mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ một chiều dùng Atmega16mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ một chiều dùng Atmega16mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ một chiều dùng Atmega16Đồ án Vi xử lý Thiết kế mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ một chiều dùng Atmega16Đồ án Vi xử lý Thiết kế mạch điều khiển và đo tốc độ động cơ một chiều dùng Atmega16

Nước ta đang trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đổi mới phát triểntoàn diện Phục vụ cho công cuộc đổi mới đó là các máy móc hiện đại, được điềukhiển phức tạp; nhưng cũng vì thế mà làm giảm tối đa được sự góp mặt của con ngườivào các quá trình sản xuất Tự động hóa phát triển cũng kéo theo những công nghệđiều khiển tiên tiến khác phát triển và đóng góp vai trò vô cùng quan trọng trong quátrình sản xuất.

Trong các ứng dụng liên quan đến truyền động, một thành phần không thể thiếu

đó là các động cơ điện Nó có tác dụng làm cho các cơ cấu chấp hành hoạt động.Trong số đó phải kể đến các động cơ điện một chiều (động cơ DC) Các động cơ DC

có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, nhất là trong sản xuất công nghiệp Tuy nhiên, nólại đòi hỏi động cơ phải có nhiều cấp tốc độ để có thể tăng giảm dễ dàng, độ ổn địnhtốc độ cao Động cơ DC được sử dụng khá phổ biến để làm cơ cấu truyền động chomột số loại máy như máy nghiền, máy nâng vận chuyển, điều khiển băng tải, điềukhiển robot,… Với sự ra đời và phát triển của vi xử lý thì vấn đề điều khiển động cơ

DC không còn quá khó khăn nữa Động cơ có thể được điều khiển để chạy ở nhiềucấp tốc độ khác nhau, điều khiển dừng, đảo chiều, nhanh chậm một cách dễ dàng

Đó chính là ý tưởng để nhóm em nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế mạch điều khiển động và đo tốc độ động cơ điện một chiều”

Nhóm em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Công nghệ tự động

đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho chúng em trong thời gianchúng em học trong trường Đặc biệt nhóm em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS BùiThị Duyên đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất đểnhóm em có thể hoàn thành tốt đề tài này

Mặc dù đã cố gắng và học hỏi rất nhiều, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm củabản thân còn hạn chế nên đề tài này của nhóm em không thể tránh khỏi những sai sót.Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Nhiệm vụ thiết kế 4

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ một chiều 5

2.1.1 Cấu tạo 5

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 6

2.2.3 Đặc điểm và phân loại 6

2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 7

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở phụ mạch phần ứng 7

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn kích từ 9

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng 11

2.3 Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) 13

2.3.1 Giới thiệu về PWM 13

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của PWM 14

2.3.3 Các phương pháp tạo xung PWM 15

2.4 Phương pháp điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều 15

2.4.1 Khái quát chung 15

2.4.2 Mạch đảo chiều quay động cơ dùng mạch cầu H 15

2.4.3 Mạch cầu H dùng 4 transistor (hoặc MOSFET) 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 18

3.1 Khối XỬ LÝ TRUNG TÂM 18

3.1.1 Giới thiệu vi điều khiển Atmega16 19

3.1.2 Mô tả và cấu trúc bên trong của Atmega16 19

3.1.3 Sơ đồ chân của Atmega16 23

3.2 Khối NGUỒN 25

3.3 Khối HIỂN THỊ 26

3.5 Khối ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 34

3.6 Khối NÚT NHẤN 37

3.7 Khối GIAO TIẾP MÁY TÍNH 37

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 39

4.1 Lưu đồ thuật toán 39

4.2 Sử dụng CodeVisionAVR để viết chương trình cho vi điều khiển 42

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Tính thực tế của sản phẩm và hướng phát triển của đề tài 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

ta cần quan tâm đến là tốc độ của động cơ Trong quá trình làm việc, tốc độ của động

cơ thường bị thay đổi do sự biến đổi của tải, của nguồn Điều đó gây ra sự sai lệch tốc

độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất hoặc thậm chí gây hỏngđộng cơ Vì vậy, việc điều chỉnh tốc độ động cơ là một yêu cầu tất yếu đối với máysản xuất

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều (DC motor) có nhiều ưuviệt hơn so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng Trong thực tế, có haiphương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Đối với vấn đề đảo chiều quay của động cơ một chiều, ta có hai phương pháp:

 Đảo chiều dòng điện qua phần ứng

 Đảo chiều từ trường do cuộn kích từ tạo ra bằng cách đảo chiều dòng điện quacuộn kích từ

Tuy nhiên đối với những cách trên thì việc điều khiển tốc độ động cơ trở nên khókhăn và hiệu quả thấp Hiện nay với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của vi xử lý,các bộ điều khiển số dần thay thế các bộ điều khiển tương tự truyền thống bởi nhiều

ưu điểm của chúng Động cơ có thể được điều khiển để chạy ở nhiều cấp tốc độ khácnhau, điều khiển dừng, đảo chiều, nhanh chậm một cách dễ dàng

Chính vì vậy, nhóm em quyết định dùng vi điều khiển để thiết kế mạch điều khiểnđộng cơ điện một chiều Việc điều khiển tốc độ động cơ được thực hiện bằng phươngpháp điều xung, tức là thay đổi độ rộng xung Độ rộng xung càng lớn thì động cơquay càng nhanh

Để điều khiển được động cơ theo phương pháp này thì cần nhiều bước khác nhau,

đi từ thiết lập phần cứng điều khiển đến cấu trúc chương trình điều khiển Nếu việcthiết lập phần cứng và chương trình điều khiển không phù hợp nhau thì sẽ không điềukhiển được động cơ

1.2 Nhiệm vụ thiết kế

 Lựa chọn vi điều khiển

Vi điều khiển được lựa chọn để nghiên cứu và thiết kế trong đề tài là vi điềukhiển Atmega16, thuộc họ vi điều khiển AVR do Atmel sản xuất

 Phương pháp điều khiển động cơ:

Động cơ được điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung

(Pulse Width Modulation – PWM) Thay đổi độ rộng xung để thay đổi điện áptrung bình cấp cho động cơ Độ rộng xung càng lớn thì động cơ chạy càng nhanh

và ngược lại

 Encoder và đọc Encoder bằng cảm biến chữ U

Để điều khiển được số vòng quay hay vận tốc của động cơ thì chúng ta bắt buộcphải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể dùng để xác địnhgóc quay của motor bao gồm dùng tachometer (cảm biến vận tốc), dùng biến trởxoay hoặc dùng optical encoder (encoder quang học) Hai phương pháp đầu tiên làphương pháp analog còn dùng encoder quang học là phương pháp digital Hệthống optical encoder gồm một nguồn phát quang, một cảm biến quang và một đĩa

có khe thủng gắn trên trục động cơ Cứ mỗi lần động cơ quay được một vòng, tiahồng ngoại sẽ từ nguồn phát xuyên qua lỗ thủng đến cảm biến quang, từ đó xuấthiện một tín hiệu trên cảm biến Như vậy mỗi vòng quay của động cơ sẽ làm xuấthiện một xung

 Thiết kế các phím chức năng tương ứng để Dừng Quay thuận Quay nghịch, Tăng tốc, Giảm tốc cho động cơ.

 Hiển thị lên màn hình LCD các chức năng tương ứng khi động cơ vận hành và tốc

độ của động cơ

Điều này sẽ giúp ta theo dõi được động cơ đang vận hành ở chế độ nào, tốc độđộng cơ là bao nhiêu để có thể điều khiển trong các trường hợp khác nhau

a) Phần tĩnh (stator)

Stator hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường, có thể lànam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện (với động cơ có công suất lớn), gồm có các

bộ phận sau:

̶• Mạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ

bằng nam châm điện): mạch từ được làm bằng sắt từ Dây quấn kích từ được làmbằng dây điện từ, các cuộn dây điện từ này được mắc nối tiếp với nhau

̶• Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn

kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ cácbulông Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dâyđều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trêncác cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp vớinhau

̶• Cực từ phụ: được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụ thường

làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giốngnhư dây quấn cực từ chính

̶• Gông từ: dùng làm mạch nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.

̶• Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi những tác động bên ngoài làm hỏng dây quấn và

đảm bảo an toàn cho người không chạm vào điện

̶• Cơ cấu chổi than: có nhiệm vụ đưa dòng điện một chiều từ phần quay vào Cơ

cấu chổi than gồm chổi than đặt trong hộ chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổgóp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá

b) Phần quay (rotor)

Là phần sinh ra sức điện động Gồm có mạch từ được làm bằng các lá thép kĩ thuật

̶• Lõi sắt phần ứng: làm nhiệm vụ dẫn từ Lõi sắt được làm bằng các lá thép kĩ

thuật điện dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại Trên các láthép có dập hình dạnh rãnh để lồng dây quấn

̶• Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động Dây quấn phần ứng được

làm bằng dây đồng có bọc cách điện Các cuộn dây quấn phần ứng gồm nhiều bốidây nối với nhau theo quy luật nhất định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây, cácđầu dây của bối dây được nối với các phiến đồng được gọi là phiến góp Dây quấnđược cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

̶• Cổ góp: cùng với cơ cấu chổi than có nhiệm vụ đưa điện áp một chiều vào dây

quấn phần ứng và đảo chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dâydẫn có dòng điện chạy qua được đặt trong từ trường Khi có dòng điện chạy qua dâyquấn phần ứng được đặt trong từ trường của stator, cuộn dây sẽ chịu tác động của lực

từ theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này gây nên momen quay chocuộn dây và khiến cho rotor quay Khi quay được nửa vòng, vị trí hai cạnh bên củacuộn dây sẽ được hoán đổi cho nhau Nhờ có bộ phận cổ góp mà chiều dòng điện giữnguyên làm cho chiều lực từ tác động không thay đổi Tuy nhiên, khi mặt phẳngkhung dây vuông góc với các đường sức từ thì momen lực từ gần như bằng không.Điều này sẽ làm rotor quay không đều Để khắc phục điều này, ta thêm nhiều cuộndây xen kẽ liên tiếp Trong thực tế, phần rotor còn được gắn thêm lõi sắt xem vào cácvòng dây và trục quay để tăng cường thêm lực từ

2.2.3 Đặc điểm và phân loại

Động cơ một chiều có quán tính cơ tương đối nhỏ, do đó dễ điều chỉnh tốc độ trongmột khoảng khá rộng Động cơ một chiều có momen khởi động và làm việc ổn địnhkhi tải thay đổi Tuy nhiên, động cơ một chiều có cấu tạo phức tạp do có cơ cấu chổithan vành góp nên phải bảo dưỡng định kì

Ưu điểm của động cơ một chiều là có nhiều phương pháp thay đổi tốc độ, dễ dàngtrong việc điều chỉnh tốc độ và cả chiều quay nên hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãitrong công nghiệp

Phân loại theo phương pháp kích từ, ta có các loại động cơ điện một chiều sau:

 Kích từ độc lập: phần ứng và cuộn kích từ được cấp điện bằng hai nguồn một

chiều

riêng rẽ

 Kích từ song song: cuộn kích từ và phần ứng được mắc song song với nhau

 Kích từ nối tiếp: cuộn kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng

 Kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần

ứng, cuộn còn lại mắc nối tiếp với phần ứngTương ứng với mỗi loại động cơ trên là các đặc tính, đặc điểm kĩ thuật, điều khiển

và ứng dụng tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trong đề tài này, nhóm

em chỉ xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập và biện pháp hữu hiệu nhất đểđiều khiển loại động cơ này

2.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập:

ω = U ư kϕϕ • R ư

¿ ¿ M

trong đó: ω – tốc độ góc của động cơ

U ư – điện áp phần ứng

R ư – điện trở dây quấn phần ứng của động cơ

M – momen phần ứng của động cơ(bỏ qua tổn thất từ thì M = M cơ = M đ từ = k.ϕ.I ư)

k – hệ số cấu tạo của động cơ

ϕ – từ thông của động cơ

Từ phương trình đặc tính cơ cho thấy để điều chỉnh được tốc độ của động cơ một chiều, ta có thể điều chỉnh các thông số sau:

 Điều chỉnh điện áp phần ứng U ư

 Điều chỉnh R ư bằng cách thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng

 Điều chỉnh từ thông ϕ

Ta sẽ phân tích từng trường hợp cụ thể dưới đây

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở phụ mạch phần ứng

Giả thiết U ư = U đm = const và ϕ = ϕ đm Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phầnứng, ta mắc thêm điện trở phụ R f vào mạch phần ứng Thay đổi giá trị của R f sẽ làmthay đổi tốc độ của động cơ

Phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là:

ω = U ư

• (R¿¿ư +R f) M

Xét đặc tính cơ của động cơ một chiều khi mắc R f vào mạch phần ứng như sau:

Ta có: ω = U ư

kϕϕ • R ư

¿ ¿ M = ω o – Δωtrong đó : ω o là tốc độ không tải của động cơ

Δω là độ sụt tốc độTheo đường đặc tính ta có:

cho độ cứng đặc tính cơ càng giảm Dựa vào đồ thị đặc tính cơ, ta thấy tốc độ làmviệc ω2, ω3 của động cơ ở các đường đặc tính cơ nhân tạo (2) và (3) nhỏ hơn tốc

độ ω đm ở đường đặc tính cơ tự nhiên Vậy phương pháp nối điện trở phụ vào mạchphần ứng động cơ chỉ điều chỉnh được tốc độ động cơ về phía dưới, tức là tốc độđiều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định mức

- Hiệu suất của phương pháp này tương đối thấp Điều chỉnh tốc độ theo phương

pháp này sẽ không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ làm hiệu suất củathiết bị giảm Vì vậy phương pháp này trong thực tế ít được sử dụng

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn kích từ

Giả thiết U ư = U đm = const và R ư = const Muốn thay đổi độ lớn của từ thông ta phảithay đổi dòng điện kích từ I kϕt của động cơ Điều này được thực hiện bằng cách mắcnối tiếp biến 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 (ϕ = ϕ max) màphương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnhtheo hướng giảm từ thông ϕ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nênkhi giảm ϕ thì tốc độ không tải lý tưởng ω o = U đm

kϕϕ tăng, còn độ cứng đặc tính cơ

β = ¿ ¿ giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đường đặc tính cơ tự nhiên

Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và có thể tăngquá mức giá trị cho phép nếu momen của động cơ không đổi Vì vậy muốn giữ chodòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì taphải giảm momen tải theo cùng tỉ lệ.

Đặc điểm của phương pháp:

- Phương pháp này có thể điều chỉnh tốc độ ở vùng cao hơn tốc độ định mức.

- Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức,

việc thay đổi độ lớn của từ thông không làm thay đổi độ lớn của dòng điệnngắn mạch

- Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển

với công suất không đổi

- Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và

kinh tế (vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với trị số dòng kích

từ bằng 1 ÷ 10% dòng điện định mức của phần ứng nên tổn hao điều chỉnhthấp)

Đây là phương pháp gần như duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điềuchỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ đặt

2.2.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng

Để điều chỉnh giá trị điện áp phần ứng động cơ một chiều, ta cần có các thiết bịnguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…Các thiết bị nguồn này có chức năng biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành mộtchiều có sức điện động E b điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U đkϕ

Hình 2.1: Họ các đặc tính cơ khi thay đổi từ thông cuộn kích từ

Ở chế độ xác lập, có thể viết được các phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Vì từ thông ϕ = const nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải

lý tưởng còn tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đkϕ của hệ thống Do đó có thểnói phương pháp này là triệt để

Tốc độ không tải và độ sụt tốc được xác định:

phía dưới đặc tính cơ tự nhiên Tốc độ của động cơ cũng sẽ giảm xuống tương ứng đốivới phụ tải không đổi.

Nhận xét:

- Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi so với đặc tính cơ tự nhiên (tức

là β = const) nên tốc độ điều chỉnh được ổn định tương đối

- Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ.

- Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này là rất lớn.

- Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động lực, động

cơ có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ

- Hiệu suất của phương pháp này là tương đối cao và giống nhau ở các đường

đặc tính do không có tổn hao trên điện trở

Trong thực tế, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cáchthay đổi giá trị điện áp đặt vào mạch phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sửdụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằngphẳng và không bị tổn hao

2.3 Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

2.3.1 Giới thiệu về PWM

Phương pháp PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, làphương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sựthay đổi của điện áp ra PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Lấy ví dụ điểnhình nhất mà chúng ta thường gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điềuáp… PWM được sử dụng để điều khiển động cơ chạy nhanh hay chậm hoặc cao hơnnữa nó còn được dùng để ổn định tốc độ động cơ

Mạch điều khiển động cơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắccấp nguồn cho motor bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh Nguồn DC đượcchuyển thành tín hiệu xung vuông, chỉ gồm hai mức: mức thấp ở 0 V và mức cao xấp

xỉ điện áp làm việc của động cơ Tín hiệu xung vuông này sẽ được cấp cho motor.Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn thì motor sẽ chạy với một tốc độ đều đặn phụ thuộcvào momen của trục quay

Với phương pháp PWM, tốc độ của động cơ được điều chỉnh thông qua việc điềuchế độ rộng của xung, tức là thời gian “đầy xung” (“ON”) của chuỗi xung vuông được

cấp cho motor Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp chomotor và do đó sẽ thay đổi được tốc độ của motor cần điều khiển.

Như trên hình, với dãy xung điều khiển trên cùng, độ rộng của xung “ON” nhỏ(20% chu kì xung) nên động cơ sẽ chạy chậm Tăng độ rộng của xung “ON” lên cànglớn thì động cơ chạy càng nhanh

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của PWM

PWM được thực hiện theo nguyên tắc đóng cắt nguồn của tải một cách có chu kìtheo quy luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện vụ đó trong mạch là cácvan bán dẫn (transistor, MOSFET…)

Xét hoạt động đóng cắt của mạch dùng van bán dẫn MOSFET

Trong khoảng thời gian 0 đến t o, ta cho van bán dẫn mở, toàn bộ điện áp nguồn U d

được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian t o đến T, cho van khóa, cắt nguồn cungcấp cho tải Vì vậy với t o biến thiên từ 0 đến T, ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hoặckhóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

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

U t = U max t o

T = D% U max

Trong đó: U max là điện áp của nguồn cấp; T là chu kì xung

D = t T o là hệ số điều chỉnh (tính bằng %)

2.3.3 Các phương pháp tạo xung PWM

Để tạo ra được PWM, hiện nay có hai cách thông dụng: bằng phần cứng và phầnmềm Nếu dùng phần cứng thì có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là tạo trựctiếp từ các IC dao động tạo xung vuông như 555, LM556… Bằng phần mềm thì có thể

Hình 2.4: Điều chỉnh độ rộng xung dùng MOSFET

tạo bằng các chip có thể lập trình được Việc tạo bằng phần mềm cho độ chính xáccao và mạch đơn giản hơn nhiều so với phương pháp bằng phần cứng

Trong đồ án này, nhóm em sẽ chọn cách điều xung PWM bằng cách lập trình trênchip Atmega16 Việc thực hiện đơn giản là đưa một chân nào đó có vi điều khiển lênmức 1, sau đó đưa xuống mức 0 Công việc này được lặp đi lặp lại liên tục sẽ tạo raxung, và tốc độ của động cơ sẽ tăng giảm tương ứng với điện áp được điều chỉnhđược tính toán theo công thức trên

2.4 Phương pháp điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều

2.4.1 Khái quát chung

Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của momen phần ứng

Để thay đổi chiều của momen ta có thể dùng hai phương pháp sau:

- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng

- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dòng điện kích từ

Đổi chiều quay của động cơ điện trong khi đang làm việc về nguyên tắc cũng cóthể được thực hiện bằng cả hai phương pháp trên Tuy nhiên trong thực tế chỉ đượcdùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng Phương pháp đổi chiều quay củađộng cơ bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ cónhiều vòng dây, do đó có hệ số tự cảm L rất lớn Việc thay đổi chiều dòng điện kích

từ sẽ dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động tự cảm có trị số rất cao, gây quá điện áp

và đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích Ngoài ra, phương pháp đổi chiềudòng kích từ có thể làm tốc độ động cơ tăng lên quá mức, không tốt cho động cơ

2.4.2 Mạch đảo chiều quay động cơ dùng mạch cầu H

Mạch cầu H thực chất là một mạch điện giúp tự động đảo chiều dòng điện đi quamột đối tượng (cụ thể ở đây là động cơ DC) khi có tín hiệu điều khiển

Phần tử chính của mạch cầu H là các “khóa” Việc chọn linh kiện để làm các khóanày phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, côngsuất tiêu thụ của đối tượng Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chếtạo bằng rơle (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal OxideSemiconductor Field-Effect Transistor)

Sơ đồ cơ bản của một mạch cầu H:

Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H rất đơn giản Đóng khóa L1 và khóa R2, ngắtkhóa R1 và khóa L2, dòng điện sẽ đi qua động cơ theo chiều từ (+) đến (-), động cơ sẽquay theo chiều thuận Ngược lại, đóng khóa R1 và L2, ngắt khóa L1 và R2, dòngđiện sẽ đi qua động cơ theo chiều từ (-) đến (+), động qua quay theo chiều ngược.

2.4.3 Mạch cầu H dùng 4 transistor (hoặc MOSFET)

Hình 2.5: Mạch cầu H dùng 4 transistor

Mạch dùng 4 transistor, trong đó Q1 và Q3 là loại p-n-p, Q2 và Q4 là loại n-p-n Mạch được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển (THDK).

Điều khiển ở chế độ quay thuận:

Ở chế độ quay thuận, ta cấp tín hiệu điều khiển vào 4 con transistor và điều kiện để

có dòng điện thuận chạy qua tải trong một thời điểm là THDK = 0, lúc này:

+ Q1 và Q4 sẽ mở ra và dẫn dòng

+ Q2 và Q3 khóa

Sẽ có dòng điện từ Vcc, qua Q1, qua động cơ, qua Q4 đến GND Động cơ quay thuận

Điều khiển ở chế độ quay ngược:

Ở chế độ quay ngược, điều kiện để có dòng điện thuận ngược qua tải trong một thờiđiểm là THDK = 1, lúc này:

+ Q1 và Q4 sẽ khóa lại

+ Q2 và Q3 mở ra và dẫn dòng

Sẽ có dòng điện từ Vcc, qua Q3, qua động cơ, qua Q2 đến GND Động cơ quayngược

Ưu, nhược điểm của mạch cầu H:

+ Ưu điểm: thiết kế và điều khiển đơn giản, tiết kiệm chi phí

+ Nhược điểm: Xảy ra hiện tượng trùng dẫn ở 2 nửa cầu của mạch H Tức là khi cótín hiệu cho phép van Q2 và Q3 dẫn, van Q1 và Q4 chưa kịp đóng lại ngay, dẫn đếnhiện tượng ngắn mạch giữa Vcc và GND Dòng điện ngắn mạch này gây tổn hao, quátải và phát nhiệt trên van Do đó khoảng thời gian chuyển giữa 2 tín hiệu điều khiểnphải đủ lớn để tránh trường hợp trùng dẫn

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Sơ đồ thiết kế tổng quát:

Hình 3.1: Sơ đồ khối

Hình 3.2: Khối XỬ LÝ TRUNG TÂM

 Vi điều khiển nhận tín hiệu từ Encoder bộ đếm của động cơ, đếm số xung củaEncoder này rồi hiển thị tốc độ động cơ lên màn hình LCD.

 Vi điều khiển còn nhận tín hiệu từ bàn phím để điều khiển động cơ quay thuận hoặcnghịch, tăng tốc hoặc giảm tốc, dừng động cơ rồi hiển thị kết quả lên LCD

3.1.1 Giới thiệu vi điều khiển Atmega16

Vi điều khiển Atmega16 thuộc họ AVR, một họ vi điều khiển do hãng Atmel sảnxuất Đây là họ vi điều khiển 8 bit, xử lý nhanh và tiêu thụ ít năng lượng (< 1.1mA tại3v-1Mhz ) Ngoài ra còn được tích hợp thêm mạch ADC, ngõ ra điều rộng xung, giaotiếp I2C, bộ nhớ EEPROM, USART, WATCHDOG, dao động nội và lập trình trên hệthống ISP Thêm vào đó AVR còn được hỗ trợ mạnh mẽ bởi các phần mềm lập trìnhnhư CodeVisionAVR, Bascom, AVR Studio… làm giảm độ phức tạp cũng như thânthiện hơn với ngôn ngữ con người Do đó AVR ngày càng được ứng dụng rộng rãitrong đời sống cũng như trong giáo dục và đào tạo

3.1.2 Mô tả và cấu trúc bên trong của Atmega16

 Hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng

 Kiến trúc RISC:

+ 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy

+ 32 thanh ghi 8 bit đa năng

+ Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz)

 Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu: 32KB bộ nhớ Flash có khả năng

tự lập trình trong hệ thống

 Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi xóa

+ Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập

+ Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot

+ Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ

+ 1024 Byte EEPROM

 1 KB SRAM nội

 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ so sánh.Một bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh và chế độbắt mẫu (Capture)

 Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập

 Bốn kênh PWM

 Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI

 Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt

 Bộ so sánh Analog

 Các đặc điểm khác:

+ Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình

+ Bộ tạo dao động nội

+ Nguồn ngắt nội và ngoại

 6 chế độ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power-save, Power-down, Standby

và Extended Standby

 Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào ra

 Điện áp hoạt động:

+ 2.7V ÷ 5.5V đối với Atmega16L

+ 4.5V ÷ 5.5V đối với Atmega16

 Tần số hoạt động:

+ 0 ÷ 8MHz đối với Atmega16L

+ 0 ÷ 16MHz đối với Atmega16

Cấu trúc bên trong:

Hình 3.3: Sơ đồ khối cấu trúc bên trong của Atmega16

Phần lõi AVR kết hợp tập lệnh phong phú với 32 thanh ghi đa dụng Toàn bộ 32thanh ghi này đều kết nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truycập 2 thanh ghi độc lập với 1 lệnh thực thi trong 1 chu kỳ xung nhịp Cấu trúc đạtđược có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần so với vi điều khiển CISC thông thường.

Với các tính năng đã nêu trên, khi ở chế độ nghỉ (Idle), CPU vẫn cho phép các chứcnăng khác hoạt động như: USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm/

bộ định thời, cổng SPI và các chế độ ngắt Chế độ Power-down lưu giữ nội dung cácthanh ghi nhưng làm ngừng bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip chođến khi có ngắt ngoài hoặc reset phần cứng Trong chế độ Power-save, đồng hồ đồng

bộ tiếp tục chạy cho phép chương trình có thể giữ được sự đồng bộ về thời gian nhưngcác thiết bị còn lại ở trong trạng thái ngủ Chế độ ADC Noise Reduction dừng CPU vàtất cả các thiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, giảm thiểu nhiễu khiADC hoạt động Ở chế độ Standby, bộ tạo dao động chạy trong khi các thiết bị còn lại

ở trạng thái ngủ Những đặc điểm này cho phép bộ vi điều khiển khởi động rất nhanhtrong chế độ tiêu thụ công suất thấp

AVR được sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao của Atmel Bộnhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống thông qua giao diện SPIbởi bộ lập trình bộ nhớ cố định truyền thống hoặc bởi chương trình On-chip Bootchạy trên lõi AVR Chương trình Boot có thể sử dụng bất cứ giao diện nào đểdownload chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash Phần mềm trong vùng BootFlash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùng Application Flash được cập nhật, giúp tạo rathao tác Read-While-Write thực sự Nhờ việc kết hợp một bộ 8bit RISC CPU với In-System-Self-Programmable Flash chỉ trong một chip, Atmega16 là một vi điều khiểnmạnh có thể cung cấp những giải pháp có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiềuứng dụng điều khiển nhúng Atmega16 được hỗ trợ đầy đủ với các công cụ hỗ trợ pháttriển cũng như lập trình, bao gồm: trình biên dịch C, Macro Assembler, mô phỏng/dòlỗi lập trình, mô phỏng mạch điện và các bộ kit thí nghiệm

3.1.3 Sơ đồ chân của Atmega16

Ý nghĩa của các chân:

 GND: chân nối mass

 VCC: chân điện áp nguồn

 Port A (PA0 ÷ PA7): ngõ vào/ra port A Các chân Port A cũng là ngõ vàoanalog của bộ chuyển đổi A/D

Chân PA7: Ngõ vào ADC7

Chân PA6: Ngõ vào ADC6

Chân PA5: Ngõ vào ADC5

Chân PA4: Ngõ vào ADC4

Chân PA3: Ngõ vào ADC3

Chân PA2: Ngõ vào ADC2

Chân PA1: Ngõ vào ADC1

Hình 3.4: Sơ đồ chân của Atmega16

 Port B (PB0 ÷ PB7): ngõ vào ra Port B

Các chức năng khác của Port B:

PB6 MISO (Master Input/Slave Output của SPI)PB5 MOSI (Master Output/Slave Input của SPI)PB4 SS (Ngõ vào chọn Slave của SPI)PB3 AIN1 (Ngõ vào Negative của bộ so sánh analog)

OC0 (Ngõ ra so sánh của Timer/Counter 0)PB2 AIN0 (Ngõ vào Positive của bộ so sánh analog)INT2 (Ngõ vào ngắt ngoài 2)PB1 T1 (Ngõ vào của bộ đếm ngoài Counter 1)

PB0 T0 (Ngõ vào của bộ đếm ngoài Counter 0)

XCK (Chân I/O Clock của USART)

 Port C (PC0 ÷ PC7): ngõ vào/ra port C

Các chức năng khác của Port C

PC7 TOSC2 (Chân 2 bộ dao động của Timer)PC6 TOSC1 (Chân 1 bộ dao động của Timer)PC5 TD1 (Chân data in Test JTAG)PC4 TD0 (Chân data out Test JTAG)PC3 TMS (Chân chọn mode Test JTAG)PC2 TCK (Chân Clock Test JTAG)PC1 SDA (Chân Data I/O của giao thức Two-Wire)

PC0 SCL (Chân clock của giao thức Two-Wire)

 Port D (PD0 ÷ PD7): ngõ vào/ra Port D

Các chức năng khác của Port D

PD7 OC2 (Ngõ ra so sánh của Timer/Counter 2)PD6 ICP1 (Chân bắt mẫu của Timer/Counter 1)PD5 OC1A (Ngõ ra so sánh A của Timer/Counter 1)PD4 OC1B (Ngõ ra so sánh B của Timer/Counter 1)

 XTAL1: ngõ vào khuếch đại dao động đảo, và là ngõ vào mạch tạo xung nội

 XTAL2: ngõ ra của mạch khuếch đại dao động đảo

 AVCC: là chân nguồn cấp cho Port A và bộ chuyển đổi ADC Nên nối chânnày với chân VCC ngay cả khi không sử dụng ADC Nếu dùng ADC thì nênnối chân này với chân VCC qua một tụ lọc thông thấp

 AREF: chân tham chiếu điện áp analog của bộ ADC

3.2 Khối NGUỒN

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn

áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện đơn giản, dễ thiết kế Các loại IC

ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn định Ví dụ 7805 ổn

áp 5V, 7812 ổn áp 12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx là tương tự nhau, dưới đây

IC 7805 có 3 chân: IN, GND và OUT

 Chân số 1 là chân IN

 Chân số 2 là GND

 Chân số 3 là chân OUT

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù nguồn cấp thay đổi

Mạch này được dùng để bảo vệ những mạch điện hoạt động

ở điện áp 5V Nếu nguồn điện biến thiên đột ngột (trong

một phạm vi cho phép) thì mạch điện vẫn hoạt động ổn

định nhờ có IC 7805 giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V

 LCD hiển thị kí tự (Character LCD) có các kích cỡ: 16x1, 16x2, 16x4… Mỗi

kí tự được tạo thành bởi một ma trận các điểm sáng kích thước 5x7 hoặc5x10 điểm ảnh

 LCD hiển thị đồ họa (Graphic LCD) đen trắng hoặc màu, gồm các kíchthước 1.47 inch (128x128 điểm ảnh), 1,8 inch (128x160 điểm ảnh), 2 inch(176x220 điểm ảnh), 2,2 inch (240x320 điểm ảnh), 2,4 inch (240x320 điểm

Hình 3.5: Khối nguồn ổn áp 5V dùng IC 7805

ảnh), 3,5 inch (320x240 điểm ảnh), 4,3 inch (480x272 điểm ảnh ), 7 inch(800x480 điểm ảnh), 8 inch (800x600 điểm ảnh) Loại LCD này được dùngnhiều trong điện thoại di động, máy ảnh số, camera…

3.3.1 Cấu tạo LCD 16x2 (2 dòng 16 kí tự)

Hình 3.6: Hình ảnh một LCD 16x2 trong thực tế

Hình 3.7: Mô phỏng LCD 16x2 trong Altium

LCD được nhóm em sử dụng trong đồ án là loại có 16 chân, với chức năng từngchân được ghi trong bảng dưới đây:

3 VEE - Điều khiển độ tương phản của LCD

RS =1: chọn thanh ghi dữ liệu

5 RW I RW = 1: đọc dữ liệu RW = 0: ghi dữ liệu

Ý nghĩa các chân của LCD:

 Chân VCC, VSS cấp dương nguồn +5V và nối đất tương ứng Chân VEE đượcdùng để điều khiển độ tương phản cho LCD

 Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có 2 thanh ghi rất quan trọng bêntrong LCD, chân RS được dùng để chọn 2 thanh ghi này như sau: nếu RS = 0