Điều khiển và hiển thị tốc độ động cơ điện một chiều

Ngược lại, nhiềunguyên lý của điều khiển tự động được ứng dụng trong các sản phẩm CNTT.. Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó vào trong thực tế, chúng em được

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của công nghệ Tự Động Hóa thời gian qua không tách rời sựphát triển của các công nghệ cao khác như công nghệ thông tin (CNTT), công nghệtruyền thông và cơ điện tử Các thành tựu của chip vi xử lý, mạng và truyền thôngđược áp dụng rộng rãi trong các sản phẩm và hệ thống TĐH Ngược lại, nhiềunguyên lý của điều khiển tự động được ứng dụng trong các sản phẩm CNTT Cácsản phẩm công nghệ cao ngày càng thông minh hơn và được thiết kế tích hợp tối ưu

cả phần xác (phần cứng - cơ khí, linh kiện…) và phần hồn (phần mềm - software,thuật toán…) trên quan điểm cơ điện tử

Trong thời gian học tập và nghiên cứu, được học tập và nghiên cứu môn viđiều khiển , lập trình C và ứng dụng của nó trong các lĩnh vực của hệ thống sảnxuất hiện đại Vì vậy để có thể nắm vững phần lý thuyết và áp dụng kiến thức đó

vào trong thực tế, chúng em được nhận đồ án môn học với đề tài: “Tính toán, thiết kế chế tạo mạch điều chỉnh và đo tốc độ động cơ điện một chiều” Với đề

tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu và nghiêncứu lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tính toán thiết kế phục vụ choviệc hoàn thiện sản phẩm

Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Hùng cùng

với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thànhxong đồ án của mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên khôngtránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhậnđược nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được

hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hưng Yên, tháng năm Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC Lời nói đầu……… … 1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ……… 8

1.1.Phân tích yêu cầu và mục tiêu của đề tài……… 8

1.2.Kế hoạch thực hiện……… 9

1.3.Ý nghĩa của đề tài……… 10

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… 11

2.1 Giới thiệu họ vi điều khiển 80C51/89C51……… 11

2.1.1 Cấu trúc chung của bộ vi điều khiển……… 11

2.1.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt……… 16

2.1.3 Các cổng I/O của 80C51/89C51……….…………20

2.1.4 Khối tạo thời gian và bộ đếm……….21

2.2 Các phương pháp đo tốc độ động cơ……….22

2.2.1 Đo tốc độ sử dụng máy phát tốc……… ……….22

2.2.2.Đo tốc độ sử dụng cảm biến quang và đĩa giải mã……….22

2.2.3.Đo tốc độ sử dụng máy đo góc tuyệt đối……….… …22

2.2.4.Đo tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato……… 22

2.3 Encoder……….24

2.3.1 Giới thiệu Encoder……….24

2.3.2 Encoder tuyệt đối……… 25

2.3.3 Encoder tương đối……… 27

2.4 Động cơ điện một chiều………29

2.4.1 Giới thiệu động cơ điện một chiều……….29

2.4.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ……….36

2.5 LED 7 thanh……….……….40

2.5.1 Sơ lược về Led 7 thanh……….………….40

2.5.2 Kết nối với vi điều khiển……….……42

2.6 Giới thiệu TCA 785……… 43

CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH………47

3.1 Thết kế sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động…….………47

3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối……….………47

3.1.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị tốc độ……… ………48

3.1.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ……… 49

3.2 Tính toán và lựa chọn linh kiện……….50

3.2.1 Tính toán mạch điều khiển tốc độ……….……….50

3.2.2 Tính toán mạch hiển thị tốc độ……… ………55

3.2.3 Tính toán mạch nguồn ……… ………57

3.3 Chương trình điều khiển……… ….61

3.3.1 Lưu đồ thuật toán……… 61

3.3.2 Chương trình điều khiển………61

3.4 Chế tạo mạch……….……… 63

3.4.1 Sơ đồ mạch in……… 66

3.4.2 Hình ảnh mạch thực tế……… …… …….67

KẾT LUẬN……….……….….68

1 Kết quả đạt được……… ……….….…… 68

2 Hướng phát triển đề tài……… 68

MỤC LỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số cơ bản của 89C51/89C52……… ……….……… 11

Bảng 2.2: Họ vi điều khiển 89C51……… ………….…… … 12

Bảng 3.1: Các tham số của TCA 785… ………54

Hình 2.1: Sơ đồ khối 8051/89C51-89C52……….………….……… 13

Hình 2.2: Sơ đồ chân tín hiệu 8051/89C51-89C52………… ……… …… 14

Hình 2.3: Encoder tuyệt đối (absolute encoder)……….…….……….25

Hình 2.4: Đĩa encoder tương đối kiểu quay…….……… …… 27

Hình 2.5: Lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quay… ….……… ………… 28

Hình 2.6: Động cơ điện một chiều… ……….……… …….29

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều………32

Hình 2.8: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập……… …….…33

Hình 2.9: Động cơ DC có gắn encoder……… ……….34

Hình 2.10: Incremental encoder………… ………35

Hình 2.11: Encoder hai pha……… ……… 36

Hình 2.12: Giản đồ xung của encoder hai pha………… ……… 36

Hình 2.13: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 37 Hình 2.14: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện áp….38

Hình 2.15: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông… ………38

Hình 2.16: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi từ thông 39

Hình 2.17: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng……… 40

Hình 2.18: Sơ đồ vị trí các led………… ……… 42

Hình 2.19: Kết nối led với vi điều khiển ……… ……… 42

Hình 2.20: Sơ đồ chân TCA 785……… ……… ………43

Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc TCA 785……… ……… 44

Hình 2.22: Dạng sóng điện áp tại các chân của TCA 785……… ……….………46

Hình 3.1: Sơ đồ khối……… ……….47

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị tốc độ………… ……….… 48

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ…… ……… 49

Hình 3.4: Mạch điều khiển tốc độ…… ……….50

Hình 3.5: PC 817… ……… 52

Hình 3.6: Mạch hiển thị tốc độ ……… ………55

Hình 3.7: Mạch nguồn 5V DC ……… ……… … 57

Hình 3.8: Mạch nguồn 15V DC… ……… ….58

Hình 3.9: Sơ đồ in mạch hiển thị tốc độ……… 66

Hình 3.10: Sơ đồ in mạch điều khiển tốc độ ……… ……… 66

1.1.2 Mục tiêu

Nắm được một cách tổng quan về các phần tử của họ vi điều khiển Nghiên cứu vềcác mạch điều khiển , hiểu được nguyên lý làm việc của mạch các phương phápđiều khiển từ đó lựa chọn một phương án tối ưu nhất để có áp dụng trên đồ án củamình và ngoài thực tiễn

Có khả năng tính toán, thiết kế và chế tạo mạch đo và hiển thị tốc độ động cơ sau

đó ứng dụng vi điều khiển lập trình điều khiển mạch đo

1.2 Kế hoạch thực hiện

1 1 - Tìm hiểu đề tài và nhận đồ án Cả nhóm

2 2 -Chọn phương án thực hiện đề tài

-Phân chia công việc

Cả nhóm

3 3+4 -Xây dựng sơ đồ khối

-Tìm hiểu sơ đồ mạch điều khiển

P.Hưng

-Tìm hiểu sơ đồ mạch lực

-Thiết kế sơ đồ nguyên lý

N.Hưng

Để giúp sinh viên có thể có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiếnthức chuyên nghành cũng như kiến thức ngoài thực tế Đề tài còn thiết kế chế tạothiết bị, mô hình để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên khoa Điện –Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các học sinh, sinh viênkhoá sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập

Những kết quả thu được sau khi hoàn thành đề tài này trước tiên là sẽ giúpchúng em có thể hiểu sâu hơn về các họ vi điều khiển, các phương pháp điều khiển

và lập trình Từ đó sẽ tích luỹ được kiến thức cho các năm học sau và ra ngoài thựctế

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về họ vi điều khiển.

Vi điều khiển (VĐK) là 1 hệ vi xử lý (VXL) được tổ chứ trong một chip Nóbao gồm :

-Bộ VXL (CPU)

-Bộ nhớ chương trình (ROM/EPROM/EEPROM/FLASH)

-Các thanh ghi chức năng , các cổng I/O ,cơ chế điều khiển ngắt và truyền thôngnối tiếp

-Các bộ thời gian dùng trong lĩnh vực chia tần và tạo thời gian thực

2.1.1 Cấu trúc chung của bộ vi điều khiển.

Họ VĐK 8051/89C51-89C52.

8051 là vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS51

được Intel sản xuất vào năm 1980 Họ MCS51 là họ 8-bit có khả năng định địa chỉ64KB bộ nhớ chương trình và 64KB bộ nhớ dữ liệu

ROM( bytes)

RAM( bytes)

CáccổngI/O 8bit

Các mạchđịnh thì/Bộđếm 16 bit UART

4K8K

128256

44

23

Cócó

Bảng 2.1: Thông số cơ bản của 89C51/89C52

Chú ý: - Loạt 80C3x không có ROM/EPROM trong chip.

-Loạt 80C5x có từ 2KB đến 8KB ROM/EPROM trong chip

- Loạt 89XX có bộ nhớ chương trình bên trong là “Flash EEPROM”

- Loạt 80CX1 có 128 byte RAM nội

- Loạt 80CX2 có 256 byte RAM nội

- Về công nghệ chế tạo : loạt 8XXX với công nghệ NMOS , loạt 8XCXXvới công nghệ CMOS

định thì/Bộđếm 16 bit

Bảng 2.2 Họ vi điều khiển 89C51.

- Giao tiếp nối tiếp

- 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- 1 bộ xử lý luận lý

-210 bit được địa chỉ hóa

Sơ đồ khối 8051/89C51-89C52.

Hình 2.1: Sơ đồ khối 8051/89C51-89C52.

Bộ VDK hoạt động ở tần số 12 MHZ với bộ nhớ ROM 4 KB ,bộ nhớ RAM 128byte cư trú bên trong vá có thể mở rộng bộ nhớ ra ngoài Ơ bộ VDK này còn có 4cổng 8 bit (P0 P3) vào/ra 2 chiều để giao tiếp với thiết bị ngoại vi Ngoài ra còn

có:

- CPU

- 2 bộ định thời 16 bit (Timer 0 và Timer 1)

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- Bộ xử lý bit

- Hệ thống điều khiển xử lý ngắt

- Các kênh điều khiển/dữ liệu /địa chỉ

- Các thanh ghi chức năng đặc biệt

Sơ đồ chân tín hiệu 8051/89C51-89C52.

Hình 2.2: Sơ đồ chân tín hiệu 8051/89C51-89C52

Chức năng của các chân tín hiệu như sau :

- P0.0 đến P0.7 là các chân của cổng 0.(chân 32 39)

- P1.0 đến P1.7 là các chân của cổng 1.(chân 1 8)

- P2.0 đến P2.7 là các chân của cổng 2.(chân 21 28)

- P3.0 đến P3.7 là các chân của cổng 3.(chân 10÷17)

- RxD : Nhận tín hiệu kiểu nối tiếp (chân 10)

- TxD : Truyền tín hiệu kiểu nối tiếp.(chân 11)

- /INT0 : Ngắt ngoài 0.(chân 12)

- /INT1 : Ngắt ngoài 1.(chân 13)

- T0 : Chân vào 0 của bộ Timer/Counter 0.(chân 14)

- T1 : Chân vào 1 của bộ Timer/Counter 1.(chân 15)

- /Wr : Ghi dữ liệu vào bộ nhớ ngoài (chân 16)

- /Rd : Đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài (chân 17)

- RST : Chân vào reset , tích cực ở mức logic cao trong khoảng 2 chu kỳ máy.(chân 9)

- XTAL1: Chân vào mạch khuếch đại dao động.(chân 18)

- XTAL2: Chân ra từ mạch khuếch đại dao động.(chân 19)

- /PSEN : Chân cho phép đọc bộ nhớ chương trình ngoài (ROM ngoài).(chân29)

- ALE(/PROG) : Chân tín hiệu cho phép chốt địu chỉ để truy cập bộ nhớngoài ,khi on –chip xuất ra byte thấp của địa chỉ.Tín hiệu chốt được kíchhoạt ở mức cao ,tần số xung chốt = 1/6 tần số dao động của bộ VDK.Nó cóthể được dùng cho các bộ Timer ngoài hoặc mục đích tạo xung clock.Đâycũng là chân nhận xung vào để nạp chương trình cho Flash ( hoặc EEPROM)bên trong On-chip khi nó ở mức thấp.(chân 30)

- /EA/Vpp: Cho phép on –chip truy cập bộ nhớ chương trình ngoài khi /EA =0,nếu /EA =1 thì on-chip sẽ làm việc với chương trình nội trú (trường hợp cầntruy cập vùng nhớ lớn hơn dung lượng bộ nhớ chương trình nội trú, thì bộnhớ chương trình ngoài cũng được sử dụng) Khi chân này được cấp nguồn12V (Vpp) thì on-chip nhận chức năng nạp chương trình cho Flash bên trong

nó (chân 31)

- Vcc: Cung cấp dương nguồn cho on-chip (+5V).(chân 40)

- GND : Nối mass.(chân 20)

2.1.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt.

SCK

INT0 INT1

Thanh ghi IE : Thanh ghi cho phép ngắt.

*EA :Nếu EA =0, không cho phép bất cứ ngắt nào hoạt động.

*Nếu EA=1, mỗi nguồn ngắt riêng biệt sẽ phụ thuộc và bít cho phép ngắt tươngứng

*-: Không dùng, người sử dụng không nên định nghĩa cho Bit này, bởi vì nó có thểđược dùng ở các bộ AT89 trong tương lai

*ET2: Bit cho phép hoặc không cho phép ngắt bộ Timer 2

*ES: Bit cho phép hoặc không cho phép ngắt cổng nối tiếp(SPI và UART)

*ET1: Bit cho phép hoặc không cho phép ngắt tràn bộ Timer 1

*EX1 : Bit cho phép hoặc không cho phép ngắt ngoài 1

*ET0 : Bit cho phép hoặc không cho phép ngắt tràn bộ Timer 0

*EX0 : Bit cho phép hoặc không cho phép ngắt ngoài 0

Thanh ghi IP: Thanh ghi ưu tiên ngắt.

*- : Không dùng, người sử dụng không nên ghi “1” vào các Bit này.

*PT2: Xác định mức ưu tiên của ngắt Timer 2

*PS :Định nghĩa mức ưu tiên của ngắt cổng nối tiếp

*PT1:Định nghĩa mức ưu tiên của ngắt Timer 1

*PX1: Định nghĩa mức ưu tiên của ngắt ngoài 1

*PT0:Định nghĩa mức ưu tiên của ngắt Timer 0

*PX0: Định nghĩa mức ưu tiên của ngắt ngoài 0

Thanh ghi TCON: Thanh ghi điều khiển bộ Timer/Couter.

*TF1: Cờ tràn Timer 1 Được đặt bởi phần cứng khi bộ timer 1 tràn Được xóa bởiphần cứng khi bộ vi xử lý hướng tới chương trình con phục vụ ngắt

*TR1: Bit điều khiển bộ Timer 1 hoạt động Được đặt hoặc xóa bởi phần mềm đểđiều khiển bộ Timer 1 ON/OFF

*TF0 : Cờ tràn Timer 0 được đặt bởi phần cứng khi bộ timer 0 tràn Được xóa bởiphần cứng khi bộ vi xử lý hướng tới chương trình con phục vụ ngắt

*TR0: Bit điều khiển bộ Timer 0 hoạt động Được đặt hoặc xóa bởi phần mềm đểđiều khiển bộ Timer 0 ON/OFF

*IE1 : Cờ ngắt ngoài 1 Được đặt bởi phần cứng khi sườn xung của ngắt ngoài 1được phát hiện Được ngắt bởi phần cứng khi ngắt được xử lý

*IT1: Bit điều khiển ngắt 1 để tạo ra ngắt ngoài được đặt xóa bởi phần mềm

*IE0 : Cờ ngắt ngoài 0 Được đặt bởi phần cứng khi sườn xung của ngắt ngoài 0được phát hiện Được ngắt bởi phần cứng khi ngắt được xử lý

*IT0: Bit điều khiển ngắt 0 để tạo ra ngắt ngoài Được đặt xóa bởi phần mềm

Thanh ghi TMOD : Thanh ghi điều khiển kiểu Timer/Counter.

*GATE: Khi GATE=1 và TRx=1 , bộ Timer/Counter x hoạt động chỉ khi INTx ởmức cao Khi GATE=0, bộ Timer/Counterx hoạt động chỉ khi TRx=1

*C/T : Bit này cho phép chọn chức năng là Timer hay Counter

- Bit này =0 thì thực hiện chức năng Timer

- Bit này =1 thì thực hiện chức năng Counter

*M0, M1: Bit chọn Mode, để xác định trạng thái và kiểu Timer/Counter:

0 0 Chọn kiểu Timer 13bit.THx=8bit,TLx=5bit

0 1 Chọn kiểu Timer 16bit.THx và TLx dài 16 bit được

ghép tầng

1 0 8 bit auto reload Các thanh ghi tự động nạp lại mỗi khi

bị tràn.khi Timer bị tràn , 8bit THx được giữ nguyêngiá trị ,còn giá trị nạp lại được đưa vào TLx

1 1 Kiểu phân chia bộ Timer TL0 la 1 bộ Timer/Counter

được điều khiển bằng các bit điều khiển bộ Timer0.TH0 là bộ Timer 8 bit được điều khiển bằng các bitđiều khiển của Timer 1

Thanh ghi của bộ định thời/bộ đếm.

Hai bộ đếm/định thời counter/timer 16 bit để định các khoảng thời gian hoặc

để đếm các sự kiện Các cặp thanh ghi (TH0, TL0) và (TH1, TL1) là các thanh ghicủa bộ đếm thời gian Bộ định thời 0 có địa chỉ 8AH (TL0, byte thấp) và 8CH

2.1.3.Các cổng I/O của 80C51/89C51.

Vi điều khiển 8051/8951 có 4 cổng, mỗi cổng có 8 bit để thực hiện việcxuất/nhập dữ liệu Bốn cổng này cho phép người lập trình truy xuất dữ liệu dướidạng cả byte hoặc truy cập từng bit riêng rẽ, khi truy xuất cả byte thì nó được kýhiệu là P0,P1,P2,P3 Một chú ý là khi khởi động lạo bộ VDK (Reset) thì giá trị củacác cổng đều ở mức logic 1

- P0.0 đến P0.7 là các chân của cổng 0 (chân 32 39)

- P1.0 đến P1.7 là các chân của cổng 1 (chân 1 8)

- P2.0 đến P2.7 là các chân của cổng 2 (chân 21 28)

- P3.0 đến P3.7 là các chân của cổng 3 (chân 10÷17)

Bình thường P0 dùng làm đầu ra, khi sử dụng P0 vừa làm đầu ra vừa làm đầu vào thìcần phải sử dụng điện trở kéo lên vì riêng P0 được thiết kế kiểu cực mánh hở

2.1.4 Khối tạo thời gian và bộ đếm.

Khi thanh ghi Timer/Counter làm việc ở chế độ Timer, thì sau mỗi chu kỳ máy nộidung thanh ghi tăng lên 1 đơn vị Vì vậy thanh ghi này đếm số xung chu kỳ máy.Một chu kỳ máy có 12 chu kỳ dao động.do đó tốc độ đếm của thanh ghi là 1/12 tần

bộ đếm xuất hiện trong thanh ghi tại thời điểm S3P1 của chu kỳ máy sau khi sựchuyển trạng thái đã được phát hiện Vì vậy để nội dung thanh ghi tăng lên 1 đơn vịphải mất 2 chu kỳ máy, tốc độ tối đa là 1/24 tần số dao động

Do xung nhịp bên ngoài có tần số bất kỳ nên các bộ Timer (0 và 1) có 4 chế độkhác nhau để lựa chọn

2.2 Các phương pháp đo tốc độ động cơ.

Để đo tốc độ động cơ ta có các phương pháp sau:

- Sử dụng máy phát tốc

- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mã

- Sử dụng máy đo góc tuyệt đối

- Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần

bộ cảm biến tốc độ

2.2.1 Đo tốc độ sử dụng máy phát tốc

Đo tốc độ động cơ sử dụng máy phát tốc có nhược điểm độ chính xác

thấp,lại đòi hỏi kèm theo bộ chuyển đổi tương tự-số để số hóa tín hiệu đo nên phương pháp này không được ưa dùng nó dần đi vào dĩ vãng

2.2.2.Đo tốc độ sử dụng cảm biến quang và đĩa giải mã

Phương pháp sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa giải mã để đo tốc độ động

cơ có các ưa điểm:

- Độ phân giải cao dẫn đến kết quả cực kỳ chính xác

- Ít nhiễu với sóng điện từ

2.2.3.Đo tốc độ sử dụng máy đo góc tuyệt đối

Phương pháp sử dụng máy đo góc tuyệt đối có ưa điểm ít bị ảnh

hưởng bởi nhiệt độ,ít nhiễu điện từ tuy nhiên chúng không đạt được độ phân giải cao như bộ cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin

2.2.4.Đo tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato

Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và

điện áp stato mà không cần bộ cảm biến tốc độ

Các phương pháp sử dụng máy phát tốc hoặc bộ cảm biến tốc độ nói trên

có một số nhược điểm là:nó làm cho hệ thống truyền động không đồng nhất do phảilắp thêm váo trục động cơ các cảm biến,trong moat số trường hợp không thực hiện được

Vd : như trong hệ thống truyền động cao tốc hoặc khi động cơ làm việc

trong môi trường độc hại Phương pháp xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần bộ cảm biến tốc độ khắc phục được các nhược điểm trên

+ Encoder tương đối (incremental encoder): có tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ

c Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ.

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trênđĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay,chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đènled sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắtthu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đượcđèn led có chiếu qua lỗ hay không Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duynhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quayđược một vòng

-Ta có công thức đo vận tốc:

V = ( Số xung đo được*60 / Độ phân giải)/Thời gian đo (vòng/phút )

Với thực tế trong mạch :

- Độ phân giải : 100 xung/vòng

-Khoảng thời gian đo xung : 1 s

- 60 để chuyển sang vòng/phút

2.3.2 Encoder tuyệt đối (absolute encoder)

Sơ đồ nguyên lý, kết cấu:

Encoder kiểu tuyệt đối, kết cấu gồm các phần sau: bộ phát ánh sáng (LED phát),đĩa mã hóa (chứa các dải băng mang tín hiệu) và một bộ thu ánh sáng nhạy với ánhsáng từ bộ phát (bộ thu thường là photosensor)

Hình 2.3: Encoder tuyệt đối (absolute encoder)

Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt Người ta chia mặt đĩa thành cácgóc đều nhau và các đường tròn đồng tâm Các đường tròn đồng tâm và bán kínhgiới hạn các góc hình thành các phân tố diện tích Tập hợp các phân tố diện tíchcùng giới hạn bởi hai vòng tròn đồng tâm gọi là dảy băng Số dải băng trên mặt đĩatùy thuộc khả năng công nghệ, ứng với một dải băng ta có một đèn LED và mộtphotosenser Trên các dải băng, các diện tích phân tố có phân tố trong suốt (ánhsáng có thể xuyên qua được) và cũng có phân tố được phủ lên một lớp mà ánh sángkhông thể chiếu xuyên qua được Sự trong suốt và không trong suốt đặc trưng đặctính của các phân tố

Nguyên lý hoạt động:

Ba bộ phận quan trọng nhất cấu thành encoder tuyệt đối là đèn LED, đĩa mãhóa và các photosensor Ánh sáng được chiếu từ đèn LED qua đĩa mã hóa đến cácphotosensor Số đèn LED bằng với số dải băng (hay còn gọi là vòng lỗ) trên đĩa mãhóa và cũng bằng với số photosensor ( hoặc cũng có thể dùng một đèn LED nhưngcông suất của đèn này phải lớn, ánh sáng của nó phải chiếu phủ hết các dải băngtrên đĩa mã hóa) Trên encoder, đèn LED, dải băng và photosensor phải sắp xếpnằm trên một đường thẳng Đèn LED và photosensor được gắn cố định trên vỏencoder Còn đĩa mã hóa thì quay quanh trục mang các tín hiệu mã hóa nhằm xácđịnh góc quay

Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng làvùng diện tích trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa đến photosensor làm xuất hiệndòng chảy qua photosensor ( lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 1 trong

mã nhị phân) Nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh

sáng không đến được photosensor (lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 0trong mã nhị phân

2.3.3 Encoder tương đối (incremental encoder)

Encoder tương đối kiểu quay

Sơ đồ nguyên lý, kết cấu:

Hình 2.4: Đĩa encoder tương đối kiểu quay.

-Về cơ bản thì encoder tương đối và encoder tuyệt đối đều giống nhau chỉ khácnhau ở đĩa mã hóa Ở encoder tương đối đĩa mã hóa gồm 1 dải băng tạo xung Trêndải băng này được chia ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể đượcthây bằng vật liệu trong suốt cho ánh sáng truyền qua) Khi đĩa từ quay qua một lỗthì photosensor nhận được tín hiệu từ đèn LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lênmột giá trị trong biến đếm

Chẳng hạn như với đĩa mã hóa gồm 360 lỗ, khi đĩa quay qua 90 lỗ thìphotosensor nhận được 90 lần tín hiệu do đó biến đếm sẽ tăng lên 90 Từ đó ta biết

được đĩa đã quay được một góc là 90 độ Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biếtđược encoder quay hết một vòng? Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng takhông thể biết được khi nào nó quay hết một vòng Chưa kể, mỗi lần có nhữngrung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung Khi đó,nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy Ngày hôm nay sai một xung, ngàyhôm sau sai một xung Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi các bạn mớiđếm được 1 vòng

Hình 2.5: Lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quay.

Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm sốvòng đã quay của encoder Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằngencoder đi ngang qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ởđâu đó Nếu vì một rung động nào đó mà chúng ta không thấy encoder đi qua lỗđịnh vị, vậy thì từ số xung và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượngsai của encoder

Nguyên lý hoạt động:

Encoder tương đối cũng gồm các bộ phận cơ bản là nguồn phát( đèn LED), đĩaquay( đĩa mã hóa), cảm biến (photosensor) Khi đĩa quay qua một lỗ thì cảm biếntrên nhận được tín hiệu lúc đó encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm Chođến khi cảm biến bên dưới nhận được tín hiệu thông qua lỗ định vị thì ta biết đượcđĩa đã quay song một vòng Giá trị biến đếm mà encoder nhận được sẽ cho ta biếtđược góc độ mà đĩa đã quay Ứng với dải băng có càng nhiều lỗ thì góc đếm nhỏnhất mà encoder đếm được sẽ càng nhỏ (càng mịn)

Encoder tương đối kiểu thẳng:

Giống Encoder kiểu quay nhưng chỉ khác ở chổ đĩa mã hóa là một thước thẳng

và dùng để đo kích thước thẳng Chiều dài Encoder thẳng phải bằng tổng chuyểnđộng thẳng tương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước Vìvậy Encoder thẳng thường đắt hơn nhiều so với Encoder dạng quay

2.4 Động cơ điện 1 chiều.

Hình 2.6: Động cơ điện 1 chiều.

2.4.1.Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặcđộng cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơnăng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện mộtchiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơđiện một chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rotor)

b.Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sđđ và có dòng điện chạy qua Thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diệntròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấnđược cách điện với rãnh của lõi thép

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cáchđiện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 2.7:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng códòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện

từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do

có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảođộng cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽcảm ứng sức điện động Eư chiều của sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư

Hình 2.8: Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.

Giới thiệu về động cơ DC( có gắn encoder)

Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: Stato đứng yên và rôto quay so với stato.Phần cảm (phần kích từ thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ,xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòngđiện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi cáclực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xáchơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật

độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưa vào

rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong

 Các thông số của động cơ:

- Điện áp cung cấp cho động cơ DC: 24VDC

- Số xung của encoder 100 xung/vòng

- Động cơ có tất cả 5 dây ra:

+ 2 dây cung cấp nguồn 24VDC cho động cơ

+ 2 dây cung cấp nguồn 5VDC cho encoder

+ 1 dây tín hiệu đưa xung encoder ra ngoài

 Phương pháp điều khiển: Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện ápcấp vào cho động cơ

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến encoder: Có nhiều loại encoder khácnhau, mỗi loại lại có một nguyên lý hoạt động khác nhau Trong khuôn khổbáo cáo đồ án, em xin trình bày phần nguyên lý loại encoder mà đề tài em sửdụng: incremental encoder

Cải tiến mô hình 1 bằng mô hình 2 như sau:

có thể dùng vi điều khiển để đếm số xung trong một đơn vị thời gian để tính ra vậntốc của động cơ