Điều khiển và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều bằng 89C51

Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều 1.1.3 Mở máy điều chỉnh tốc độ động 1.1.4 Đo tốc độ động điện chiều .13 1.2 Bộ biến đổi xung áp chiều .14 1.2.1 Các phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động điện chiều .14 1.2.2 Phương pháp PWM 14 1.2.3 Bộ biến đổi xung áp chiều 17 1.3 Mô tả toán học động điện chiều kich từ động lập bằng nam châm vĩnh cửu .21 1.3.1 Xây dựng mô tả toán học cho động dựa vào sở kiến thức lý thuyết 21 1.3.2 Xây dựng mơ tả tốn học cho động bằng phương pháp thực nghiệm 23 1.4 Hệ thống điều khiển PI số 25 1.4.1 Tổng quan hệ thống điều khiển tự động 25 1.4.2 Luật điều khiển PID 26 1.4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển PI số .27 1.4.4 Thiết kế hệ thống điều khiển 28 1.5 Khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tự động 30 1.5.1 Tính ổn định hệ thống 30 1.5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống 31 1.5.3 Biện luận tính ổn định hệ thống với trạng thái khác đối tượng điều khiển 32 1.5.4 Một số lưu ý thực kỹ thuật hệ thống điều khiển số .33 CHƯƠNG II – MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 36 2.1 Vi điều khiển AT89C51 .36 Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều 2.1.1 Tổng quan vi điều khiển AT89C51 36 2.1.2 Chức chân 89C51 37 2.1.3 Tổ chức nhớ .39 2.1.4 Các ghi chức đặc biệt vector ngắt 42 2.2 LCD1602 44 2.2.1 Sơ đồ chân chức chân LCD1602 .44 2.2.2 Hiển thị LCD 45 CHƯƠNG III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM 46 3.1 Sơ đồ khối 46 3.2 Khối nguồn 47 3.2.1 Khối nguồn I 47 3.2.2 Khối nguồn II 48 3.3 Đối tượng điều khiển 49 3.4 Bộ biến đổi 50 3.5 Khối giao tiếp, điều khiển hiển thị 52 3.6 Khối tải ảo 65 3.7 Thiết kế mạch in 66 3.7.1 Khối nguồn 66 3.7.2 Bộ biến đổi 67 3.7.3 Khối giao tiếp, điều khiển hiển thị 68 3.7.4 Khối tải giả 69 CHƯƠNG IV - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 4.1 Kết luận 70 4.2 Phương hướng phát triển đề tài 71 Lời cảm ơn ! 72 Tài liệu tham khảo .73 Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều LỜI NÓI ĐẦU Việt Nam ta ngày phát triển giàu mạnh Một thay đổi đáng kể Việt Nam gia nhập WTO, bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước, để - người Việt có hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại giới, đặc biệt lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung ngành Điện - Điện Tử nói riêng Thế hệ trẻ khơng tự phấn đấu học hỏi khơng ngừng sớm lạc hậu nhanh chóng thụt lùi Nhìn được điều trường “Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên” sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao Để tăng chất lượng học tập sinh viên nhà trường nói chung khoa Điện - Điện Tử nói riêng tổ chức cho sinh viên làm Đồ Án Môn Học nhằm tạo nên tảng vững chắc cho sinh viên trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm Ngày lĩnh vực vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày người máy giặt, đồng hồ điện tử, ti vi nhằm giúp cho đời sống ngày đại tiện lợi Đề tài ứng dụng vi điều khiển đời sống thực tế rất phong phú đa dạng nhằm đáp ứng cho sống tiện nghi người Với mục đích tìm hiểu đáp ứng yêu cầu chúng em lựa chọn đề tài có tính ứng dụng thực tế, không xa lạ người, : “Thiết kế hệ thống điều khiển và ổn định tốc độ động chiều” Sau thời gian nghiên cứu, chúng em chế tạo thành công hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động chiều đáp ứng được yêu cầu đề tài Trong suốt thời gian thực đề tài, chúng em gặp số vướng mắc lý thuyết khó khăn việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em nhận được sự giải đáp hướng dẫn kịp thời thấy "Nguyễn Viết Ngư", sự góp ý kiến bạn sinh viên lớp Được vậy chúng em xin chân thành cảm ơn mong muốn nhận được nhiều sự giúp đỡ, bảo thầy cô giáo bạn đồ án sau Do kiến thức hạn chế nên q trình thực đồ án chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót, mong q thầy hội đồng bảo vệ bỏ qua có đóng góp ý kiến để chúng em hồn thiện đồ án tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Khái niệm Động điện nói chung động điện chiều nói riêng thiết bị điện - từ quay, làm việc theo nguyên lý điện - từ Khi đặt vào từ trường dây dẫn cho dòng điện chạy qua dây dẫn từ trường tác dụng lực từ vào dây dẫn (dòng điện) làm dây dẫn chuyển động Động điện biến đổi điện thành 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Động điện chiều hoạt động dựa nguyên lý tượng cảm ứng điện từ I Hình 1.1.2.a – Sơ đồ nguyên lý động điện chiều Như ta biết dẫn có dòng điện đặt từ trường chịu tác dụng lực từ Vì vậy cho dòng điện chiều vào chổi than A chổi than B dẫn chịu tác dụng lực từ Bên cạnh dòng điện vào dẫn nằm cực N dẫn nằm cực S nên tác dụng từ trường lên dẫn sinh mơ men có chiều khơng đổi làm cho roto máy quay Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều Khi nguồn điện chiều có cơng śt khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn chiều độc lập với nhau, lúc động được gọi động kích từ độc lập Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt làm dây kích từ sinh từ thơng Φ Trong tất trường hợp, mở máy phải đảm bảo có Φmax tức phải giảm điện trở mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất Cũng cần đảm bảo không xảy đứt mạch kích thích Φ = dẫn tới M = KΦI = 0, động không quay được, Eư = theo biểu thức U = Eư + RưIư dòng điện Iư rất lớn làm cháy động Nếu mômen động điện sinh lớn mômen cản (M > Mc) rôto bắt đầu quay suất điện động Eư tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất tăng lên Eư, dòng điện Iư giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm * Cấu tạo chung : Phần động điện chiều bao gồm hai phần là: + Phần tĩnh : Stato + Phần quay : Roto * Stato : Stato gọi phần cảm gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa mạch từ vừa vỏ máy Gắn với stato cực từ có dây q́n kích từ Phần tĩnh bao gồm phận sau: cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ phận khác Hình 1.1.2.b - Cấu tạo stato a Cực từ Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ được làm bằng thép kỹ thuật điện hay thép carbon dày 0.5 đến mm ép lại tán chặt Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện cuộn dây được bọc cách điện thành khối tẩm sơn cách điện trước đặt lên cực từ Các cuộn dây được nối nối tiếp với Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều b Cực từ phụ Cực từ phụ được đặt cực từ dùng để cải thiện trình đổi chiều Lõi thép cực tù phụ thường làm bằng thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn, mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ bulông c Gông từ Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền cực từ , đồng thời làm vỏ máy d Các phận khác Ngoài ba phận có phận khác : Nắp máy, cấu chổi than -Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi bị vật rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện -Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than cách điện với giá Giá chổi quay được để đưa vị trí chổi than chỗ *Roto : Roto động điện chiều bao gồm phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp phận khác Hình 1.1.2.c - Cấu tạo roto a Lõi sắt phần ứng Dùng để dẫn từ Thường làm bằng tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều b Dây quấn phần ứng Là phần sinh sức điện động có dòng điện chạy qua Dây q́n phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất vài kilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép Để tránh bị văng sức li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt phải đai chặt dây quấn Nêm làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit c Cổ góp Cổ góp (còn gọi vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có nhạn cách điện với bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành trụ tròn Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao để hàn đầu dây phần tử dây quấn vào phiến góp được dễ dàng d Các phận khác Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động Động điện chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động có lỗ thơng gió Cánh quạt lắp trục động Khi động quay, cánh quạt hút gió từ ngồi vào động Gió qua vành góp, cực từ, lõi sắt dây q́n qua quạt gió ngồi làm nguội động Trục máy: đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt ổ bi Trục động thường được làm bằng thép carbon tốt 1.1.3 Mở máy điều chỉnh tốc độ động a Mở máy động điện chiều Phương trình cân bằng điện áp : Suy : Khi mở máy, tốc độ : Suy : Suy : Vì Rư rất nhỏ, dòng điện phần ứng Iư lúc mở máy rất lớn Iư lên tới khoảng 20 đến 25 lần Iđm , làm hỏng cổ góp, chổi than ảnh hưởng đến lưới điện Để giảm dòng điện mở máy, dùng biện pháp :  Dùng biến trở mở máy RMở  Giảm điện áp đặt vào phần ứng * Điều chỉnh tốc độ động chiều Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình tính tốc độ động sau: Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều với Hay : Từ hai phương trình ta thấy n (tốc độ động cơ) phụ thuộc vào Φ (từ thông), Rư (điện trở phần ứng), Uư (điện áp phần ứng) Vì vậy để điều chỉnh tốc độ động điện chiều ta có ba phương án - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thông Φ - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi cách thay đổi điện trở phụ R f mạch phần ứng - Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng Uư Cả phương pháp điều chỉnh được tốc độ động điện chiều có phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động tốt nhất hay được sử dụng nhất thu được đặc tính có độ cứng khơng đổi bằng với độ cứng đặc tính tự nhiên (đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằng phẳng không bị hao tổn Vì vậy đồ án em giới thiệu phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện áp phần ứng Hình 1.1.3.a – Sơ đồ khối Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ định mức Tuy nhiên cách điện thiết bị thường tính tốn cho điện áp định mức nên thường giảm điện áp phần ứng Uư Khi Uư giảm n0 giảm ∆n không đổi nên tốc độ n giảm Vì vậy thường điều chỉnh tốc độ nhỏ tốc độ định mức Còn lớn điều chỉnh phạm vi rất nhỏ Đặc điểm quan trọng phương pháp điều chỉnh tốc độ mơ men khơng đổi từ thơng dòng điện phần ứng khơng thay đổi : Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ giới hạn 1:10, thậm chí cao đến 1:25 Phương pháp có từ thơng khơng đổi nên đặc tính có độ cứng khơng đổi, bằng với độ cứng đặc tính tự nhiên Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang 10 Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp Uđk hệ thống, nói phương pháp điều khiển triệt để Dải điều chỉnh tốc độ hệ thống bị chặn đặc tính bản, đặc tính ứng với điện áp định mức từ thông định mức Tốc độ nhỏ nhất dải điều khiển bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ mômen khởi động Khi mơmen tải định mức giá trị lớn nhất nhỏ nhất tốc độ là: Để thoả mãn khả q tải đặc tính thấp nhất dải điều chỉnh phải có mơmen ngắn mạch : Trong KM hệ số tải mơmen Vì họ đặc tính đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa độ cứng đặc tính ta viết : Với xác định máy, vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động điện chiều bằng thiết bị nguồn điều chỉnh điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng lần điện trở phần ứng động Do tính sơ được : Do phạm vi điều chỉnh tốc độ động khơng vượt q 10 tải có đặc tính mômen không đổi Phương pháp dùng cho động điện chiều kích từ độc lập song song làm việc chế độ kích từ độc lập Điều chỉnh động điện chiều sử dụng phương pháp Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang 11 Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều Hình 1.1.3.b - Đồ thị đặc tính động điện chiều thay đổi điện áp Kết luận : Trong đồ án em sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động chiều bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động thu được đặc tính có độ cứng khơng đổi (và đặc tính có độ cứng lớn nhất), điều chỉnh tốc độ bằng phẳng không bị hao tổn * Lưu ý : So với động điện xoay chiều động điện chiều có ưu tuyệt đối việc điều chỉnh tốc độ Sự tỉ lệ điện áp phần ứng tốc độ động điện chiều mang tính tuyến tính cao động điện xoay chiều tốc độ khơng phụ thuộc điện áp mà phụ thuộc vào tần số sự phụ thuộc gần hồn toàn phi tuyến, muốn điều khiển hồn tồn động điện xoay chiều cần có biến tần kèm (tăng điện áp phần ứng không làm cho tốc độ vượt qua tốc độ không tải lý tưởng) Vì hệ thống yêu cầu tính xác cao người ta thường dùng động điện chiều 1.1.4 Đo tốc độ động điện chiều Để đo tốc độ động nói chung động điện chiều nói riêng người ta thường sử dụng Encoder Khái niệm: Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang 12 Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều hangchuc=sointeger%10; sointeger=sointeger/10; hangtram=sointeger%10; hangnghin=sointeger/10; LCDvietmotkytu(48+hangnghin); LCDvietmotkytu(48+hangtram); LCDvietmotkytu(48+hangchuc); LCDvietmotkytu(48+hangdonvi); } void CapnhatLCD(void) { LenhLCD(0x01); LenhLCD(0x80); LCDvietchuoikytu("Do an Tich hop 1"); LenhLCD(0xc1); LCDvietmotsointeger(tocdophanhoi); LCDvietmotkytu('/'); LCDvietmotsointeger(tocdodat); LCDvietchuoikytu("(v/p)"); } //****** Thiet lap ngat ******// // Cai dat cac che ngat // void Caidatngat(void) { IE=0x00; IP=0x0A; TMOD=0x12; TH0=0xcd; TL0=0xcd; TH1=0x0b; TL1=0xdb; IE=0x8F; Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực : Lê Đức Trường – Đoàn Xuân Trường Trang 61 Đồ án chuyên ngành I Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động điện chiều TCON=0x51; } // Ngat Timer0 - Tao PWM // void TaoPWM(void) interrupt { TckPWM++; if(TckPWM5) { if(hienthitocdo