Giáo trình Điều khiển tốc độ động cơ: Phần 2

Nối tiếp nội dung phần 1. Phần 2 của Giáo trình Điều khiển tốc độ động cơ tiếp tục giới thiệu đến bạn đọc nội dung từ chương 3 đến chương 6. Phần này cung cấp cho bạn đọc các nội dung như: Mạch phần cứng, Phần mềm Assembler, phần mềm visual basic và kết quả.

PHẦN II PHẦN II THIẾT KẾ Chương MẠCH PHẦN CỨNG A B C Chương PHẦN MỀM ASSEMBLER D E F Chương GIẢI THUẬT CHỨC NĂNG CỦA TỪNG CHƯƠNG TRÌNH CON CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM VISUAL BASIC G H I Chương SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA TỪNG BỘ PHẬN HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ NHIỆM VỤ CỦA PHẦN MỀM GIẢI THÍCH HOẠT ĐỘNG CHƯƠNG TRÌNH KẾT QUẢ J K MẠCH THI CÔNG GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH - 68 - PHẦN II - CHƯƠNG TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 69 - PHẦN II - CHƯƠNG A—SƠ ĐỒ: (Hình 3.1) Hình 3.1 Sơ đồ mạch thi công TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 70 - PHẦN II - CHƯƠNG Thứ tự 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Số lượng 1 4 1 1 1 1 2 10 1 2 1 DANH SÁCH CÁC THÀNH PHẦN: Mô tả linh kiện IC, AT89C51, Microcontroller 12MHz Crystal 10uF Capacitor Led đoạn BJT, 2N1015,PNP IC, ADC0809 IC, 7447 IC, 74393 IC, MAX232 IC, LM7805 BJT, 2N1061, NPN Bieán trở 10KΩ Cầu chỉnh lưu diode Led thu-phát Đầu nối DB-9 (đực, cái) Tụ điện 10nF Điện trở 470Ω Điện trở 10KΩ Điện trở 47KΩ Điện trơ û1KΩ Điện trở 4K7 Nút reset Rơle 5V chân Tụ lọc nguồn, 2200uF 25V Diode 1N4007, chống áp ngược Tụ điện 30pF BJT, 2N2222, NPN BJT, D468, NPN DC Motor 6V Đóa CD, đục 20 lổ, gắn đồng trục động TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 71 - PHẦN II - CHƯƠNG B—CHỨC NĂNG CỦA TỪNG BỘ PHẬN: KHỐI NGUỒN: Hình 3.2 Cấu trúc mạch mguồn Cung cấp nguồn nuôi cho mạch thi công Khối nguồn thiết kế để cung cấp mức điện áp ổn đònh 5V cho mô hình Một biến áp 110V/220V sang 6V/9V/12V khoảng 1A; cầu chỉnh lưu 1A; tụ điện nguồn 2200µF 25V IC ổn áp 7805 TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 72 - PHẦN II - CHƯƠNG KHỐI GIAO TIẾP MÁY TÍNH: Hình 3.3 Khối giao tiếp PC-KIT Thiết lập quan hệ giao tiếp với máy tính Khối thiết kế nhằm mở rộng khả điều khiển cho kit Mạch giao tiếp đơn giản có đầu cắm dây IC max232 tụ điện làm tương thích điện áp hai đơn vò giao tiếp máy tính (~12V) kit (~5V) Hai khối giao tiếp qua hai đường truyền nhận phát, dây masse nối chung TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 73 - PHẦN II - CHƯƠNG KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51: Hình 3.4 Khối điều khiển AT89C51 Trung tâm điều khiển chế độ làm việc động toàn hoạt động khác : điều khiển động chạy tốc độ mong muốn, đảo chiều, hãm ngược, điều khiển hoạt động mạch hiển thò led, đo tốc độ, giao tiếp với máy tính Khối gồm có IC AT89C51, mạch tạo xung mạch reset TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 74 - PHẦN II - CHƯƠNG KHỐI ĐẶT TỐC ĐỘ TRÊN KIT: Hinh 3.5 Khối đặt tốc độ KIT Khối điều khiển tốc độ động tay nằm kit Khối gồm có IC ADC0809 làm chức chuyển đổi tương tự/số, IC 74LS393 tạo xung nhòp cho ADC0809 biến trở đặt tốc độ để chọn mức điện áp cho ADC0809 TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 75 - PHẦN II - CHƯƠNG KHỐI HIỂN THỊ: Hình 3.6 Khối hiển thò tốc độ đo Dùng để hiển thò tốc độ đo động mô hình mạch thi công Khối gồm IC 7447 làm nhiệm vụ giải mã BCD sang bảy đoạn, bốn led bảy đoạn, bốn transistor A1015 kéo dòng cho bốn led bảy đoạn loại anode chung, bảy điện trở hạn dòng cho bảy đầu vào a, b, c, d, e, f g (không vẽ hình ) điện trở phân cực transistor TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 76 - PHẦN II - CHƯƠNG KHỐI MẠCH ĐỘNG CƠ: Hình 3.7 Khối mạch động Khối gồm mạch động lực cung cấp công suất cho động Bộ phận cảm biến tốc độ sử dụng kèm theo đóa CD-ROM có đục lỗ cặp led thu-phát Một thành phần relay tám chân cho mục đích đảo chiều động dùng transistor D468 để điều khiển Xem chi tiết phần phụ lục TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 77 - PHẦN V KHỐI MẠCH ĐỘNG CƠ: Các linh kiện mạch gồm: Diode chuyển mạch Relay động loại: Chọn loại 1N4007 có thông số: 1N4007 ↔ ECG125 /1-109 Mô tả: R-Si, 1000 PRV, 2,5A Gen Purp Rect Si Peak Reverse Voltage PRV Max V = 1000 Average Rectified Forward Current Io Max = 2,5A at 250C Lead Temp Forward Voltage Drop Max VF = 0,8V at 1A 1N4006, 1N4006G, 1N4006GP, 1N4006ID, 1N4006S, 1N4006SG, 1N4007, 1N4007G, 1N4007GP, 1N4007ID, 1N4007S, 1N4007SG,… Relay DPDT: chọn loại 5V, chân TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 172 - PHẦN V Chọn khoá chuyển mạch cho Relay D468: D468 ↔ ECG293 /1-48 T-NPN, Si, AF PO, PD 0,75W AF Pwr Amp BVCBO = 60V BVCEO = 50 BVEBO = IC Max =1A PD = 1W(heat sink) & 0,75W(TA = 250C) ft = 200MHz hFE = 120 T-16 D468, D468A, D468B, D468C, D471, D571,… Gheùp Darlington: choïn 2N2222 & 2SC1061 2N2222 ↔ ECG123A /1-43 T-NPN, Si, AF/RF Amp, Sw BVCBO 75V BVCEO 40V BVEBO 6V IC Max 0,8A PD 0,5W (TA =250C) ft 300MHz hFE 200 (typ.) TO-18 2N2220, 2N2220A, 2N2221, 2N2221A, 2N2222, 2N2222/A, 2N2222A, 2N2224, 2N2236, 2N2237, 2N2242, 2N2244, 2N2245, 2N2246, 2N2247, 2N2248, 2N2249, 2N2250, 2N2253, 2N2254, 2N2255, 2N2256, 2N2257, 2N2272,… 2SC1061 ↔ ECG152 /1-43 T-NPN, Si, AF PO (AF Pwr Output) BVCBO 60V BVCEO 60V BVEBO 5V IC Max 7A PD 50W ft 10MHz hFE 60 (typ.) TO-220 TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 173 - PHAÀN V 2SC1060, 2SC1060A, 2SC1060B, 2SC1060BM, 2SC1060C, 2SC1060D, 2SC1061, 2SC1061A, 2SC1061B, 2SC1061BT, 2SC1061C, 2SC1061D, 2SC1061K, 2SC1061KA, 2SC1061KB, 2SC1061KC, 2SC1061KD, 2SC1061T, 2SC1061T-B, 2SC1061TB,… Tính toán mạch động cơ: Chọn động mô hình loại 6V, kích từ nam châm, dòng điện 550mA Chọn transistor 2SC1061 (Imax = 7A > 550mA) hFE = 60 ⇒ IB = 550/60 ≈ 9mA Choïn transistor 2N2222 (Imax = 800mA > 9mA) RC = 470Ω VRc = 470×9 ≈ 4,2V hFE(2N2222) = 200 ⇒ IB(tính toán) = 9/200 ≈ 0,045mA IB(2N2222) = 5V − 0,8V ≈ 0,42mA > 0,045mA 10kΩ Tính toán mạch điều khiển Relay: chọn loại D468 (ICmax = 1A) Điện trở Relay: Rcd(Relay) = 200Ω (5V − 0,2V ) = 240mA < 1000mA 200Ω 240mA hFE = 120 ⇒ IB(tính toán) = = 2mA < 4,4mA 120 (5V − 0,6V ) IB(D468) = = 4,4mA (chọn trở hạn dòng 1kΩ) 1kΩ IC(tính toán) = Icd(Relay) = TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 174 - PHẦN V Tính toán mạch led phát – thu: * mạch phát: Dòng qua led chọn 8mA, trở hạn dòng: Rhd = * maïch thu: (5V − 1,4V ) = 470Ω 8mA TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 175 - PHẦN V 4—GIỚI THIỆU VỀ CHOPPER HAI-PHẦN TƯ , CÁC CHOPPER NHIỀU PHA VÀ CHOPPER THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHOPPER: CHOPPER HAI-PHẦN TƯ: Chopper có hai chế độ làm việc chế độ giảm áp chế độ tăng áp Cấu hình mạch chế độ hoạt động xét [Chương 2, mục D, trang 36] Sự khác mạch điện chế độ vò trí diode van điều khiển đóng ngắt L1 ∩∩∩∩ X • iS1 i1 V1 + S1 C1 +Y vS2 S2 L2 ∩∩∩∩ i2 R2 ∧∨∧∨ L2 ∩∩∩∩ i2 R2 ∧∨∧∨ + VS iS2 Z (a) Chopper hoạt động chế độ tăng áp (hãm) L1 ∩∩∩∩ S1 V1 + C1 S2 + VS (b) Chopper hoạt động hoạt động chế độ giảm áp (truyền động) Hình PL.4.1 Hai chế độ làm việc chopper hai-phần tư Hai chế độ hoạt động chopper hai-phần tư vẽ hai hình Đây hình vẽ cho ứng dụng điều khiển tốc độ động DC tiêu biểu Động phần điện áp thấp chopper nguồn DC cung cấp phần cao áp Cực tính điện áp cảm ứng động phụ thuộc vào chiều quay Trong hai hình TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 176 - PHẦN V trên, động quay với chiều không đổi nên có điện áp cực tính Trên hình PL.4.1 (b), động truyền động cho máy sản xuất nên nhận công suất từ nguồn qua chopper, dòng điện có chiều hình vẽ ta coi chiều dương quy ước Trên hình PL.4.1 (a) trạng thái động hãm tái sinh, dòng điện coi âm theo quy ước Biểu diễn điểm làm việc hai chế độ lên trục tọa độ có trục tung biểu diễn điện áp động dòng động trục hoành VS Phần tư II: Phần tư I: Chopper làm việc chế độ hãm (tăng áp) Chopper làm việc chế độ truyền động (giảm áp) I2 Hình PL.4.2 Các phần tư hoạt động chopper hai-phần tư Một chopper làm việc hai chế độ gọi chopper hai-phần tư Có hai cách để thực chuyển chế độ làm việc cho chopper hai-phần tư dùng tiếp điểm khí tiếp điểm tónh (dùng phối hợp linh kiện bán dẫn) ∩∩∩ X Y ∩∩∩ •↔•X •↔•Y •↔•Y •↔•Z (GIẢM ÁP) •↔•X •↔•Y •↔•Y •↔•Z (TĂNG ÁP) Z Chopper hai-phần tư dùng tiếp điểm khí ∩∩∩ L1 V1 + G1 S1 D1 C1 G2 S2 D2 ∩∩∩ L2 ∨∧∨∧ R2 + VS Chopper hai-phần tư dùng IGBT TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 177 - PHẦN V CHOPPER NHIỀU PHA: Chopper nhiều pha chopper có hai nhiều chopper hoạt động song song có độ dòch pha tương hỗ với Tất chopper giống nhau, hoạt động tần số đóng cắt chu kỳ làm việc Tuy nhiên, chu kỳ có độ lệch pha với Việc sử dụng cấu hình mạch chopper nhiều pha mang lại số ưu điểm Đầu tiên tần số dòng điện nhấp nhô cao nên dễ dàng loại bỏ Mỗi chopper chopper m-pha có tần số đóng cắt chu kỳ làm việc Khác điểm bắt đầu chu kỳ đóng cắt chopper chậm so với choppper khoảng thời gian T/m giây tương ứng với góc trễ pha 3600/m Tương tự, điểm bắt đầu chu kỳ đóng cắt chopper chậm chopper góc dòch pha 3600/m tiếp tục chopper thứ m Độ dòch pha có tác dụng làm tăng tần số nhấp nhô dòng điện tải Số pha lớn tần số lớn: tần số nhấp nhô dòng điện tải ngõ gấp m lần tần số đóng cắt chopper chopper m-pha Giải tích chế độ giảm áp chopper m-pha: ∩∩∩ L1 S1 S2 Sm i1 ∩∩∩ ∨∧∨∧ L2 i2 ∩∩∩ ∨∧∨∧ L2 C1 R2 P • ••••• V1 + R2 ⊃ LS ⊃ ⊃ ⊃ > RS < + VS im ∩∩∩ ∨∧∨∧ L2 D1 D2 ••••••• R2 Dm m iS = i1 + i2 +…+ im • N Bộ chopper m-pha hoạt động chế độ giảm áp Xét tải R-L (coi VS = 0), giả thiết mạch chopper hoạt động xác lập Số chopper chuyển mạch ON thời điểm tùy thuộc vào chu kỳ làm việc D Lưu ý dòng điện tải có tần số nhấp nhô dòng điện gấp m lần tần số chuyển mạch chopper TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 178 - PHẦN V Nếu < D < 1/m, có quãng thời gian mà chopper mở ON chopper khác tự hành (“freewheeling”) Dòng điện pha chopper mở ON tăng lên pha chopper khác giảm xuống Trong khoảng thời gian dòng điện tổng tăng lên biên độ đỉnh, ký hiệu Ip Nối tiếp quãng thời gian khác tất chopper chuyển mạch sang OFF toàn dòng m-pha tự hành Trong suốt quãng thời gian này, dòng điện tổng giảm biên độ đáy, ký hiệu Iv Như vậy, cấu hình mạch chopper liên tục thay đổi theo hai chế độ dẫn dòng này: chopper ON, dòng tải tăng lên tiếp chopper tắt OFF dòng tải giảm xuống Nếu 1/m < D < 2/m, trường hợp tương tự trường hợp trên, có hai chế độ dẫn dòng ứng với hai cấu hình mạch chopper: Hai chopper đồng thời chuyển mạch mở ON tất pha chopper lại tự hành; suốt quãng thời gian này, dòng điện tăng lên giá trò dòng điện đỉnh Ip Chỉ chopper chuyển mạch mở ON pha chopper khác tự hành; suốt quãng thời gian này, dòng tải giảm biên độ đáy Iv Nếu 2/m < D < 3/m, lập luận tương tự ta có hai chế độ dẫn dòng: Ba chopper chuyển mạch mở ON dòng tải tăng lên giá trò đỉnh Ip hai chopper chuyển mạch mở ON dòng tải giảm biên độ đáy Iv Tiếp tục trình lập luận theo cách này, ta tổng quát hóa cho giá trò D, sau: Nếu (p –1)/m < D < p/m , p số nguyên nhỏ m; có hai chế độ dẫn: p chopper chuyển mạch mở ON, dòng điện tăng lên đỉnh Ip Chỉ (p – 1) pha chopper chuyển mạch mở ON, dòng tải giảm xuống biên độ đáy Iv Phương trình mạch trường hợp p pha chopper chuyển mạch mở ON, (m – p) pha chopper khác tự hành (hình vẽ trên) Ta giả thiết pha dẫn p pha tự hành p+1 m Bộ lọc ngõ vào L1 – C1 giả sử lí tưởng để điện áp ngõ vào V1 xem số Ta có: di di1 + RS i S + LS S = V1 dt dt di di R2 i2 + L2 + RS i S + LS S = V1 dt dt R2 i1 + L2 TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 179 - (PL.4.1)(1) (PL.4.1)(2) PHAÀN V di p di S = V1 dt dt di p +1 di R2 i p +1 + L2 + R S i S + LS S = dt dt R i p + L2 (PL.4.1)(p) + R S i S + LS (PL.4.1)(p+1) di di R i m + L2 m + R S i S + L S S = dt dt (PL.4.1)(m) Cộng phương trình từ (PL.4.1)(1) đến (PL.4.1)(m) vế theo vế có: R' iS + L' Trong đó: di S =V' dt (PL.4.2) R’ = R2 + mRS (PL.4.3) L’ = L2 + mLS (PL.4.4) V’ = pV1 (PL.4.5) Phương trình (PL.4.2) phần tăng lên dòng tải, tương ứng với p chopper mở ON Chu kỳ kéo dài từ lúc ON p chopper đến thời điểm chuyển mạch tắt OFF chopper Ký hiệu chu kỳ tăng dòng điện tải Tr, ta có: Tr = DT − p −1 p −1 T = T (D − ) m m (PL.4.6) Chọn gốc thời gian thời điểm bắt đầu tăng chu kỳ tăng, tức lúc p chopper chuyển mạch mở ON, điều kiện đầu cho phương trình (PL.4.2) là: iS = Iv lúc t = (PL.4.7) Giải phương trình vi phân (PL.4.2) với điều kiện nêu, đáp số là: i S = I v e −t / τ + V' (1 − e −t / τ ) R' (PL.4.8) Trong đó: τ = L’/R’ Dòng điện đỉnh xuất taïi t = Tr Suy ra: I p = I v e −Tr / τ + V' (1 − e −Tr / τ ) R' (PL.4.9) (PL.4.10) Trong đó, Tr tính từ phương trình (PL.4.6) Chu kỳ suy giảm dòng điện tải: Trong chu kỳ giảm dòng điện, có (p – 1) pha chopper chuyển mạch ON lại toàn pha chopper khác tự hành (“freewheeling”) Quãng chu kỳ kéo dài từ pha chopper chuyển mạch tắt OFF đến pha chopper (p + 1) chuyển mạch mở ON Ký hiệu quãng thời gian Tf, ta có: TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 180 - PHAÀN V Tf = p p T − DT = T ( − D) m m (PL.4.11) Phương trình mắc lưới quãng chu kỳ suy giảm dòng điện tương tự cách viết phương trình mạch khoảng chu kỳ tăng lên dòng tải Sự khác có (p – 1) phương trình có chứa phần tử nguồn V1 vế phải phương trình vi phân (tương ứng với [p – 1] pha chopper chuyển mạch mở ON)trong hệ m phương trình đồng thời, lại có thành phần vế phải phương trình zero (tương ứng với trường hợp tự hành OFF) Phương trình dòng điện tải rút cách cộng tất m phương trình trên: R ' i S + L' Trong đó: di S = V '' dt (PL.4.12) V” = (p – 1)V1 (PL.4.13) R’ = R2 + mRS ( PL.4.3) L’ = L2 + mLS ( PL.4.4) Chọn gốc thời gian lúc bắt đầu khoảng chu kỳ suy giảm, điều kiện đầu phương trình (PL.4.12) là: iS = Ip thời điểm t = (PL.4.14) Giải phương trình vi phân (PL.4.12) với điều kiện đầu (PL.4.14) cho ta biểu thức dòng điện tải khoảng chu kỳ suy giảm dòng điện tải: i S = I p e −t / τ + V '' (1 − e −t / τ ) R' (PL.4.15) Dòng điện tải giảm xuống biên độ đáy thời điểm t = Tf Ta có: Iv = I pe −T f / τ + V '' −T / τ (1 − e f ) R' (PL.4.16) Các phương trình (PL.4.10) (PL.4.16) hai phương trình đồng thời, giải hệ với hai biến Ip Iv được: V1  e −Tr / τ − e −T / mτ  Ip =  p− R'  − e −T / mτ Iv = −T f / τ V1   p − 1− e R'  − e −T / mτ        (PL.4.17) (PL.4.18) Trong caùc phương trình trên, p số nguyên nhỏ m, phụ thuộc vào chu kỳ làm việc xác đònh dùng quan hệ sau: p −1 p