Nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng vi điều khiển AVR

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH BỘ MƠN KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động điện chiều sử dụng vi điều khiển AVR Giảng viên hƣớng dẫn : TS Hoàng Sơn Sinh viên thực : Đào Duy Lâm Lớp : K58 Công nghệ kỹ thuật điện tử Khóa : 2013 - 2017 Hà Nội – năm 2017 ` MỞ ĐẦU Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành công nghiệp tự động hóa ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống Truyền động điện chiều sử dụng cho máy có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ mômen Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lưọng điều chỉnh cao Từ thực tế chọn thực để tài “Nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động điện chiều sử dụng vi điều khiển AVR” Mục tiêu nghiên cứu đề tài sử dụng vi điều khiển ATmega32 để điều khiển tốc độ động điện chiều Với phạm vi nghiên cứu phịng thí nghiệm Đối tượng nghiên cứu động điện chiều chương trình điều khiển động điện chiều phương pháp sử dụng khóa luận gồm phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô Để tài bao gồm 04 chương với bố cục sau: - Chương 1: Tổng quan động điện chiều phương pháp điều chỉnh tốc độ - Chương 2: Thiết kế chế tạo phần cứng - Chương 3: Chương trình điều khiển - Chương 4: Kết luận kiến nghị Sinh viên thực đề tài Đào Duy Lâm ` MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều 1.1.3 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 1.2 Các phƣơng pháp điều khiển động điện chiều 1.2.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng 1.2.2 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động 10 1.2.3 Lựa chọn phương án điều khiển tốc độ động điện chiều 12 1.3 Điều chế PWM để điều khiển tốc độ động chiều 12 1.3.1 Giới thiệu phương pháp PWM 12 1.3.2 Nguyên lý phương pháp PWM 13 1.3.3 Các cách để tạo PWM để điều khiển 15 1.3.4 PWM điều khiển động 17 1.3.5 Ưu nhược điểm mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động DC 18 1.4 Mạch cầu H cho việc điều chỉnh tốc độ đảo chiều động điện chiều 19 Chƣơng 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG 22 2.1 Mạch cầu H sử dụng tín hiệu điều khiển từ PWM 22 2.2 Thiết bị mạch công suất 23 2.3 Thiết kế sơ đồ điều khiển 26 2.3.1 Sơ đồ khối 26 2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 27 2.3.3 Thiết kế mạch lực 28 Chƣơng 3: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 29 3.1 Vi điều khiển AVR 29 3.2 Luật điều khiển 30 3.3 Thuật toán điều khiển 31 3.3.1 Các thị trước sử lý 31 3.3.2 Các toán tử 31 ` 3.3.3 Các kiểu liệu 33 3.3.4 Cấu trúc chương trình C 33 3.3.5 Các lệnh C 34 3.4 Lập trình điều khiển động điện chiều 37 3.5 Mô phần mềm Proteus 43 Chƣơng 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 4.1 Kết luận 48 4.2 Kiến nghị 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 ` DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng liệu 33 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ mặt cắt ngang dọc động chiều Hình 1.2: Phần tĩnh phần quay Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo rôto Hình 1.4: Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Hình 1.5: Đặc tinh điện động chiều kích từ độc lập Hình 1.6: Đặc tính điện động chiều kích từ độc lập Hình 1.7: Sơ đồ khối sơ đồ thay chế độ xác lập Hình 1.8: Xác định phạm vi điều chỉnh Hình 1.9: Quan hệ hiệu suất truyền động tốc độ với loại tải khác 10 Hình 1.10: Sơ đồ thay (a) Đặc tính điều chỉnh điều chỉnh từ thơng động (b) Quan hệ φ ( ), (c) 11 Hình 1.11: Đồ thị dạng xung điều chế PWM 13 Hình.1.12: Sơ đồ đóng ngắt nguồn với tải 14 Hình 1.13: Đồ thị xung van điều khiển đầu 14 Hình 1.14: Tạo xung vuông phương pháp so sánh 16 Hình 1.15: Mạch tạo xung đơn giản dung 555 17 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động DC 18 Hình 1.17: Sơ đồ nguyến lý mạch cầu H dùng Transistor 19 Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng Transistor P, N hay Fet 20 Hình 1.19: Cấu tạo hình dáng rơle thơng dụng 20 Hình 1.20: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H 21 Hình 2.1: Mạch cầu H sử dụng tín hiệu từ PWM 22 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động PWM cho việc điều chỉnh tốc độ 22 Hình 2.3: Điện áp trung bình phương pháp PWM 23 Hình 2.4: MOSFET 24 ` Hình 2.5: Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC 25 Hình 2.6: Mạch cầu H dùng MOSFET 25 Hình 2.7: Sơ đồ khối điều khiển 26 Hình 2.8: Sơ đồ mạch điều khiển 27 Hinh 2.9: Sơ đồ mạch lực điều khiển 28 Hình 3.1: Các dịng AVR: tiny, AVR AT mega 29 Hình 3.2: Mạch nguyên lý điều khiển động điện chiều Proteus 44 Hình 3.3: Cửa sổ lập trình C cho AVR 44 Hình 3.4: Kết sau biên dịch 45 Hình 3.5: Nạp chương trình cho vi điều khiển 46 Hình 3.6: Mơ điều khiển động điện chiều Proteus 47 ` GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 Tổng quan động điện chiều Trong sản xuất đại, máy điện chiều coi loại máy quan trọng Nó dùng làm động điện dùng điều kiện làm việc khác Động điện chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, máy dùng nhiều ngành cơng nghiệp có u cầu cao điều chỉnh tốc độ cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…vv Động điện phân loại thành động kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp kích từ hỗn hợp Trên thực tế, đặc tính động kích từ độc lập kích từ song song giống cần công suất lớn ngừơi ta thường dùng động điện kích từ độc lập để điều chỉnh dịng điện kích từ thuận lợi kinh tế loại động địi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên 1.1.1 Cấu tạo Cấu tạo động điện chiều hình vẽ 1.1 chia làm hai phần là: phần tĩnh phần quay Ngồi cịn có phận khác vòng bi, cổ vòng, cuộn dây phần ứng, trục quay, nam châm Hình 1.1: Sơ đồ mặt cắt ngang dọc động chiều GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm a) Phần tĩnh (stato): Phần tĩnh bao gồm phận cực từ chính, cực từ phụ, gơng từ số phận khác Hình 1.2: Phần tĩnh phần quay Cực từ chính: Là nam châm điện, có nhiệm vụ tạo từ trường máy, cực từ gồm có:  Lõi thép cực từ chính: Làm thép dày 0,5-1,0 mm ép lại tán chặt  Dây quấn kích từ: Làm dây điện từ lõi đồng, cuộn dây đặt lên cực từ nối nối tiếp với Cực từ phụ gồm có:  Lõi thép cực từ phụ: Làm thép khối  Dây quấn phụ: Làm dây điện từ lõi đồng đặt lên cực từ phụ Gông từ (Vỏ máy): Làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy, ngồi cịn có nắp máy, giá đỡ ổ bi Ngồi cịn có phận khác như: Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm vào điện Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ phần quay ngồi b) Phần quay (rơto): phần quay gồm có lõi sắt phần ứng, dây quấn, cổ góp số phận khác GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo rôto Lõi thép phần ứng: Dùng để dẫn từ, làm thép kỹ thuật điện ghép lại với Trên thép có dập rãnh để đặt dây quấn Dây quấn phần ứng: Là phần sinh sức điện động có dịng điện chạy qua Thường làm dây đồng có bọc chách điện Trục rơto: Là phần đỡ lõi sắt phần ứng, cánh quạt ổ bi, làm thép cứng Cổ góp: Gồm nhiều phiến đồng cách điện với lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm hợp thành hình trụ tròn Các phận khác như: Cánh quạt để quạt gió làm nguội máy Trục máy để đặt lõi sắt phần ứng, cánh quạt ổ bi 1.1.2 Nguyên lý làm việc động điện chiều Động điện chiều thực chất máy điện đồng sức điện động xoay chiều chỉnh lưu thành sức điện động chiều Để chỉnh lưu sức điện động ta có hai đầu vịng dây nối với hai phiến góp có hai chổi điện ln tỳ sát vào chúng Khi rôto quay chổi điện ln tiếp xúc với phiến góp nối với dẫn, sức điện động xoay chiều vịng dây chỉnh lưu mạch thànhsức điện động dịng điện chiều nhờ hệ thống vành góp chổi điện Để sức điện động chiều chổi điện có trị số lớn đập mạch, dây quấn rơto thường có nhiều vịng dây nối với nhiều phiến góp làm thành dây quấn phần ứng có cổ góp điện GVHD: TS Hồng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm 1.1.3 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi nguồn điện chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch kích từ mắc vào hai nguồn điện độc lập với nhau, lúc động gọi động kích từ độc lập Hình 1.4: Sơ đồ nối dây động kích từ độc lập Theo sơ đồ viết phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: ( Trong đó: ) điện áp phần ứng (V), điện trở mạch phần ứng (Ω), điện mạch phần ứng (A) Với điện trở cuộn cực từ phụ, (1.1) sức điện động phần ứng (V), điện trở phụ mạch phần ứng (Ω), = là dòng ( điện trở cuộn dây phần ứng, điện trở cuộn bù, điện trở tiếp xúc chổi + + + điện) Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: Eư = Φω = KΦω (1.2) GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm while (điều kiện) { Biểu thức } //Nếu điều kiện cịn cịn thực biểu thức sai thốt// While(1) {}; //Tạo vòng lặp mãi, hay đùng lập trình vi xử lý chương trình viết dấu ngoặc// Vòng lặp do-while Dạng thức: { Biểu thức} while (điều kiện); //Thực biểu thức sau kiểm tra điều kiện cịn cịn thực biểu thức sai thốt// Ví dụ: { x++; //Sử dụng viết câu lệnh// } while(x>10) Vịng lặp for Dạng thức: for (gía trị đầu; gía trị cuối; gía trị tăng/giảm) { biểu thức;} Ví dụ: for ( n=0; n=100 ; n++) { Câu lệnh; } 35 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm //Mỗi thực xong lệnh n++ tăng đến 100 thơi// - Các lệnh rẽ nhánh lệnh nhảy Lệnh break Sử dụng break khỏi vịng lặp điều kiện để kết thúc chưa thoả mãn Lệnh dùng để kết thúc vịng lặp khơng xác định hay buộc phải kết thúc chừng thay kết thúc cách bình thường Lệnh continue Lệnh continue làm cho chương trình bỏ qua phần cịn lại vịng lặp nhảy sang lần lặp Lệnh goto Lệnh cho phép nhảy vô điều kiện tới điểm chương trình - Cấu trúc lựa chọn: Switch case break Cú pháp: Switch (biến) { case constant1: Biểu thức break; case constant2: Biểu thức break; default: Biểu thức n } 36 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm 3.4 Lập trình điều khiển động điện chiều Viết code điều khiển động #include #include // Alphanumeric LCD Module functions #include // Declare your global variables here void lcd_putnum(unsigned char so,unsigned char x,unsigned char y) { unsigned char a,b,c; a=so/100; // lay fan tram b=(so-100*a)/10; // lay fan chuc c=(so-100*a-10*b); // lay hang don vi lcd_gotoxy(x,y); // ve vi tri x,y lcd_putchar(a+48); // day hang tram, ma ascii lcd_putchar(b+48); // day hang chuc, ma ascii lcd_putchar(c+48); // day hang don vi, ma ascii } void dc_speed_nguoc(unsigned char n) { lcd_putnum(n,4,1); OCR1AL=n; OCR1BL=0; 37 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm } void dc_speed_thuan(unsigned char n) { lcd_putnum(n,4,1); OCR1AL=0; OCR1BL=n; } void dc_speed_dung() { lcd_putnum(0,4,1); OCR1AL=0; OCR1BL=0; } void main(void) { PORTA=0x00; DDRA=0x00; PORTB=0xFF; DDRB=0x00; PORTC=0x00; DDRC=0x00; 38 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm PORTD=0x00; DDRD=0xFF; TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; TCCR1A=0xF2; TCCR1B=0x02; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; 39 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; TIMSK=0x00; UCSRB=0x00; ACSR=0x80; SFIOR=0x00; ADCSRA=0x00; SPCR=0x00; TWCR=0x00; lcd_init(16); while (1) { if(PINB.0==0) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Quay nguoc PWM= ,n=-1440"); 40 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm dc_speed_nguoc(255); //delay_ms(1000); //lcd_clear(); } if(PINB.1==0) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Quay thuan PWM= ,n=1440 "); dc_speed_thuan(255); //delay_ms(1000); //lcd_clear(); } if(PINB.2==0) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Quay nguoc max PWM= ,n=-1440"); dc_speed_nguoc(250); delay_ms(1000); lcd_clear(); { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Quay nguoc cham PWM= ,n=-1020"); dc_speed_nguoc(180); 41 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm delay_ms(1000); lcd_clear(); if(PINB.4==1) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Dung PWM= ,n=0"); dc_speed_dung(); } } } if(PINB.3==0) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Quay thuan cham PWM= ,n=1020"); dc_speed_thuan(180); delay_ms(1000); lcd_clear(); { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Quay thuan max PWM= ,n=1440"); dc_speed_thuan(250); delay_ms(1000); lcd_clear(); 42 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm if(PINB.4==1) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Dung PWM= ,n=0"); dc_speed_dung(); } } } if(PINB.4==0) { lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Dung PWM= ,n=0"); dc_speed_dung(); } } } 3.5 Mô phần mềm Proteus Để thực q trình mơ cần thực bước sau: Bước1 Thiết kế mạch nguyên lý điều khiển động điện chiều phần mềm Proteus 43 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Hình 3.2: Mạch nguyên lý điều khiển động điện chiều Proteus Bước2 Lập trình ngôn ngữ C vào cửa sổ phần mềm CodeVisionAVR Hình 3.3: Cửa sổ lập trình C cho AVR 44 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Bước Nhấn Shift + F9 để biên dịch chương trình: Hình 3.4: Kết sau biên dịch Nếu chương trình dịch khơng có lỗi chương trình dịch dịch sang file Hex Bước4 Nạp chương trình cho vi điều khiển Để nạp chương trình cho vi điều khiển nhấp đôi chuột trái vào vi điều khiển cửa sổ Edit Component Trong cửa sổ Edit Component ý: Program File: Chọn đường dẫn đến chương trình cần nạp 45 GVHD: TS Hồng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Hình 3.5: Nạp chương trình cho vi điều khiển Bước5 Sau nạp chương trình sử dụng nút mơ để quan sát làm việc mạch Mô làm việc mạch vi điều khiển quan sát làm việc mạch, để điều chỉnh hoạt động mạch cho phù hợp với yêu cầu trước thi công mạch Mô vi điều khiển giúp cho việc viết phần mềm tốt 46 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Hình 3.6: Mơ điều khiển động điện chiều Proteus 47 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm Chƣơng 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, hướng dẫn giảng viên hướng dẫn, chúng tơi hồn thành đồ án Đề tài tiến hành thiết kế xây dựng chương trình điều khiển tốc độ động điện chiều Chương trình điều khiển tốc độ nhanh, chậm đảo chiều động điện chiều Kết cụ thể đề tài gồm - Đề tài nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc động điện chiều Lựa chọn phương pháp điều khiển động điện chiều điều chỉnh điệp áp phần ứng động ưu điểm đặc tính mềm, độ linh hoạt điều khiển cao Từ chúng tơi điều chế PWM để điều khiển tốc độ động điện chiều - Đề tài sử dụng MOSFET làm khóa cho mạch cầu H để đảo chiều quay động Thiết kế sơ đồ điều khiển thiết kế mạch điều khiển động điện chiều - Đề tài chọn chip Atemega 32 đưa thuật tốn điều khiển từ viết chương trình điều khiển động điện chiều - Đề tài thiết kế xây dựng chương trình mơ điều khiển tốc độ động điện chiều trực tiếp phần mềm Proteus, sau nạp chương trình sử dụng nút mơ để quan sát làm việc mạch Mô làm việc mạch vi điều khiển quan sát làm việc mạch, để điều chỉnh hoạt động mạch cho phù hợp với yêu cầu trước thi công mạch Mô vi điều khiển giúp cho việc viết phần mềm tốt 4.2 Kiến nghị - Với kết thu đề tài, thơng qua q trình chạy mơ phần mềm, tính khả thi cao đề tài Đề tài áp dụng thực tiễn sản xuất cơng nghiệp - Trong q trình chạy mơ cịn hạn chế chương trình điều khiển chưa hồn thiện có nhiều, làm lần sau em cố gắng đầu tư để hồn thiện sản phẩm tốt 48 GVHD: TS Hoàng Sơn SVTH: Đào Duy Lâm DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy Điện - Nhà xuất khoa học kỹ thuật -1998 Điện tử cơng suất: Nguyễn Bính Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật - Hà nội 1999 Vi điều khiển AVR: Ngô Diên Tập Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật - Hà nội 2006 Lập trình C kỹ thuật điện tử: Wiffiam buchnan Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật - Hà nội 1999 49 ... độ động điện chiều sử dụng vi điều khiển AVR? ?? Mục tiêu nghiên cứu đề tài sử dụng vi điều khiển ATmega32 để điều khiển tốc độ động điện chiều Với phạm vi nghiên cứu phịng thí nghiệm Đối tượng nghiên. .. vi? ??c điều chỉnh tốc độ đảo chiều động điện chiều Mạch cầu H có hai chức để điều chỉnh tốc độ động điện chiều (thông qua vi? ??c điều chỉnh điện áp phần ứng động nhờ PWM) để đảo chiều động điện chiều. .. phương án điều khiển tốc độ động điện chiều Từ ưu, nhược điểm phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều ta vừa xét thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều phương pháp điều chỉnh điện