Thiết kế thiết bị đo và điều khiển tốc độ của động cơ DC theo nhiệt độ phòng

LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực đề tài tốt nghiệp chƣơng trình đào tạo cử nhân nghành công nghệ kĩ thuật điện trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, nhận đƣợc ủng hộ, giúp đỡ tận tình thầy cơ, bạn bè gia đình Nhân dịp này, tơi xin đƣợc bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến ThS Đinh Hải Lĩnh thầy KS Nguyễn Thành Trung– ngƣời tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn điện cơng trình – khoa điện cơng trình trƣờng Đh Lâm nghiệp Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực đề tài Qua đây, tơi xin chân thành cám ơn giúp đỡ thầy cô trƣờng Đại học Lâm nghiệp Việt Nam tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi, để đề tài hồn thành đứng tiến độ Tuy có nhiều cố gắng nhƣng thời gian nghiên cứu không nhiều hạn chế thân nên đề tài khóa luận không tránh khỏi khiếm khuyết Tôi mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn để học hỏi hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC(ĐỘNG CƠ CHIỀU) VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ATMEGA16 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Nguyên lý làm việc 1.1.3 Phần 1.1.4 Nguyên lý làm việc động điện chiều: 1.1.5 Phân loại 1.2 Các phƣơng pháp điều khiển động điện chiều 1.2.1 Điều khiển chiều quay động điện chiều 1.2.2 Điều khiển tốc độ động điện chiều 1.3 Vi điều khiển ATmega16 13 1.3.1 Vi điều khiển ATmega16 13 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ DC SỬ DỤNG ATMEGA16 21 2.1 Cấu trúc điều khiển 21 2.2 Nguyên lý hoạt động điều khiển 22 2.3 Thiết kế mô điều khiển động DC 22 CHƢƠNG CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 25 3.1 Chuẩn bị thiết bị 25 3.2 Thiết kế mạch 25 3.3 Lập trình cho vi điều khiển 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1:Sơ đồ ngun lý làm việc động điện chiều Hình 1.2 Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.3: Mạch cầu H sử dụng Hình 1.4: Dịng điện chạy mạch cầu H chế độ quay thuận Hình 1.5: IC L298 sơ đồ chân Hình 1.6: Điều chỉnh điện áp phần ứng chỉnh lƣu: Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý tƣơng đƣơng điều chỉnh xung áp Hình 1.8: Biểu đồ thời gian điện áp dòng điện Hình 1.9: Điều chỉnh điện áp đặt vào động 10 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động chiều không đảo chiều dùng transistor 11 Hình 1.11: Mạch đảo chiều động dùng transistor khuếch đại thuật tốn 11 Hình 1.12: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động chiều dùng diode thyristor 13 Hình 1.13: Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16 13 Hình 1.14:Sơ đồ chân ATmega16 15 Hình 1.15 sơ đồ nguồn ni mạch atmega 17 Hình 1.16: Sơ đồ đơn vị đếm 18 Hình 1.17: Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ 19 Hình 1.18: Lựa chọn nguồn xung cho định thời 19 Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển động DC 21 Hình 2.2: mơ mạch proteus 23 Hình 2.3: mạch broad sau dây hoàn chỉnh 24 Hình 2.4: mạch 3D sau lắp thiết bị 24 Hình 3.1: mạch broad sau dây hoàn chỉnh 26 Hình 3.2 hình chíp đồng 26 Hình 3.3 làm mạch 27 Hình 3.4 mạch tạo mạch 27 Hình 3.5 ngâm mạch vào dung dịch tạo mạch 28 Hình 3.6 vệ sinh máchau làm xong mạch 28 Hình 3.7 khoan chân linh kiện 29 hình 3.8 gắn linh kiện 29 Hình 3.9 hồn thành sản phẩm 30 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển công nghệ vi điện tử hệ thống điều khiển đƣợc tự động hoà Với kỹ thuật tiên tiến nhƣ vi xử lý, vi điều khiển đƣợc ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển hệ thống điều khiển khí thơ sơ, với tốc độ xử lý chậm xác đƣợc thay hệ thống điều khiển tự động với lệnh chƣơng trình đƣợc thiết lập trƣớc Trong trình sản xuất nhà máy, xí nghiệp,việc đo khống chế nhiệt độ tự động yêu cầu cần thiết quan trọng Vì nắm bắt đƣợc nhiệt độ làm việc hệ thống, dây chuyền sản xuất ,giúp ta biết đƣợc tình trạng làm việc yêu cầu có xử lý kịp thời để tránh hƣ hỏng giải xự cố xảy Trong ứng dụng liên quan đến truyền động, thành phần gần nhƣ thiếu động điện, có tác dụng gây lực làm cấu chấp hành hoạt động.Động điện có nhiều ứng dụng sống, sản xuất công nghiệp.Việc điều khiển đƣợc tốc độ nhƣ chiều quay vấn đề cần giải Kết hợp với vi điều khiển, việc điều khiển động trở lên dễ dàng nhiều Để đáp ứng đƣợc yêu cầu đo không chế nhiệt độ tự động, có nhièu phƣơng pháp để thực Nghiên cứu khảo sát vi xử lý vi điều khiển, nhóm chúng em thấy việc khống chế nhiệt độ động bƣớc có nhiều ƣu điểm nhƣ: dễ dàng điều khiển vận tốc động để khống chế nhiệt độ nhờ vào quạt gió Do điều kiện hạn chế kinh tế, thời gian trình độ nên em hạn hẹp dừng lại việc mô điều chỉnh vận tốc động tự động theo nhiệt độ môi trƣờng phần nhiệt độ môi trƣờng đƣợc thị thông qua Led Chính lẽ sinh viên chọn đề tài “ Thiết kế thiết bị đo điều khiển tốc độ động DC theo nhiệt độ phòng” nhƣ sử dụng tiếp cận vi điểu khiển ATMEGA16 Đồ án gồm chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan động điện chiều vi điều khiển ATmega16 Chƣơng II: Thiết kế điều khiển động DC sử dụng ATmega16 Chƣơng III: Chế tạo điều khiển động DC theo nhiệt độ phòng CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC(ĐỘNG CƠ CHIỀU) VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ATMEGA16 1.1 Động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo Cấu tạo động điện gồm stator, rotor hệ thống chổi than – vành góp Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm bối dây đặt rãnh lõi sắt.Số lƣợng cực từ phụ thuộc tốc độ quay.Đối với động công suất nhỏ, ngƣời ta kích từ nam châm vĩnh cửu Rotor (còn gọi phần ứng) gồm thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt phần tử dây quấn phần ứng Điện áp chiều đƣợc đƣa vào phần ứng qua lực tiếp xúc tự động trì áp lực tùy theo độ mịn chổi than Chổi than – vành góp có chức đƣa điện áp chiều vào cuộn dây phần ứng đổi chiều dòng điện cuộn dây phần ứng Số lƣợng chổi than số lƣợng cực từ (một nửa có cực tính dƣơng nửa có cực tính âm) 1.1.2 Nguyên lý làm việc Khi đặt lên dây quấn kích từ điện áp kích từ Uk dây quấn kích từ xuất dịng kích từ ik mạch từ mách có từ thơng Φ Tiếp đặt giá trị điện áp U lên mạch phần ứng dây quấn phần ứng có dòng điện I chạy qua Tƣơng tác dòng điện phần ứng từ thơng kích thích tạo thành moment điện từ.Moment điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục Giá trị moment điện từ đƣợc tính công thức: m p.n I  k  I 2 a Trong đó: p số đơi cực động điện; n số dẫn phần ứng dƣới cực từ; a số mạch nhánh song song dây quấn phần ứng; k hệ số kết cấu máy Cơ chế sinh lực quay động điện chiều Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh lõi sắt non, cạnh phía bên cực dƣơng bị tác động lực hƣớng lên, cạnh đối diện lại bị tác động lực hƣớng xuống theo nguyên lý bàn tay trái Fleming Các lực gây tác động quay lên cuộn dây, làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục chiều, cổ góp điện làm chuyển mạch dịng điện sau vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề mặt cuộn dây song song với đƣờng sức từ trƣờng Nghĩa lực quay động cuộn dây lệch 900 so với phƣơng ban đầu nó, rotor quay theo qn tính Trong máy điện chiều lớn, ngƣời ta có nhiều cuộn dây nối nhiều phiến góp khác cổ góp Nhờ dịng điện lực quay đƣợc liên tục hầu nhƣ không bị thay đổi theo vị trí khác rotor Phương trình động chiều E  K V  E  Ru I u M  K I u Với: Φ: Từ thông cực (Wb) Iu: dòng điện phản ứng (A) V: điện áp phản ứng (V) Ru: điện trở phản ứng (Ω) ω: tốc độ động (rad/s) M: moment động (N/m) K: số, phụ thuộc cấu trúc động 1.1.3 Phần - Cực từ chính: Cực từ phận sinh từ trƣờng gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ nhờ bulơng Dây quấn kích từ đƣợc quấn dây đồng bọc cách điện - Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ dùng để cải thiện đổi chiều - Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền cực từ đồng thời làm vỏ máy - Các phận khác: +Nắp máy +Cơ cấu chổi than 1.1.4 Nguyên lý làm việc động điện chiều: b A F® t n I + a I c F ®t d B - Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều U đặt vào chổi than A B dây quấn phần ứng có dịng điện Iƣ dẫn ab, cd có dịng điện nằm từ trƣờng chịu lực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay đƣợc nửa vịng vị trí dẫn ab, cd đổi chỗ có phiến góp đổi chiều dịng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động có chiều quay khơng đổi Khi động quay dẫn cắt từ trƣờng cảm ứng sức điện động Eƣ chiều s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động điện chiều sức điện động Eƣ ngƣợc chiều với dòng điện Iƣ nên Eƣ gọi sức phản điện động Phƣơng trình cân điện áp: U= Eƣ+Rƣ.Iƣ Trong đó: Rƣ: điện trở phần ứng Iƣ: dịng điện phần ứng Eƣ: sức điện động Theo yêu cầu đề ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động điên chiều kích rừ độc lập Động điện chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ khơng phụ thuộc vào dịng điện phần ứng nghĩa từ thông động không phụ thuộc vào phụ tải mà phụ thuộc vào điện áp điện trở mạch kích từ + - U- I E KT IKT + UKT - Hình 1.2 Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập 1.1.5 Phân loại - Động chiều kích từ nam châm vĩnh cửu - Động chiều kích từ độc lập (phần ứng phần kích từ đƣợc cung cấp hai nguồn riêng rẽ) - Động chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đƣợc mắc nối tiếp với phần ứng - Động chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đƣợc mắc song song với phần ứng - Động chiều kích từ hỗn hợp: gồm có cuộn dây kích thích, cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn lại mắc song song với phần ứng 1.2 Các phƣơng pháp điều khiển động điện chiều 1.2.1 Điều khiển chiều quay động điện chiều Đảo chiều quay động điện chiều đƣợc thực dễ dàng cách thay đổi chiều dòng điện cấp vào động điện thay đổi đƣợc chiều quay động Một số phƣơng pháp điều khiển chiều quay động điện chiều: - Sử dụng công tắc: nối vào cơng tắc có nấc, gạt cơng tắc sang phải động quay theo chiều thuận, gạt động dừng, gạt sang trái động quay ngƣợc lại Ngun tắc đảo chiều nguồn cung cấp vào động - Sử dụng mạch cầu H điều khiển: linh kiện sử dụng mạch cầu diode, transistor BJT, transistor trƣờng ( nhƣ hình 1.1) Hình 1.3: Mạch cầu H sử dụng a- transistor PNP – NPN; b- MOSFET; c- Relay Nguyên tắc hoạt động: (phân tích với hình a, hình khác tƣơng tự) chế độ quay thuận, tín hiệu điều khiển cấp vào transistor với điều kiện vào Q1 = 0, Q2 = 1; Q3 = 0; Q4 = 1, dòng điện theo chiều từ nguồn cấp vào Q1, qua động vào Q4 xuống đất ( nhƣ hình 1.2) Hình 1.4: Dịng điện chạy mạch cầu H chế độ quay thuận Ở chế độ quay ngƣợc, Q1 = 1, Q2 = 0; Q3 = 1; Q4 = 0, dòng điện từ Q2 qua động Q3 xuống đất Nhƣ làm cho động quay theo chiều ngƣợc lại Muốn cho động dừng khơng quay cho Q1, Q3 Q2, Q4 mức đƣợc - Sử dụng IC chuyên dụng: IC chuyên dụng dùng để điều khiển động dễ dàng tìm thấy nhƣ L293, L293D, L298, L298N, … Hình 1.5: IC L298 sơ đồ chân IC L298 đƣợc tích hợp sẵn bên hai mạch cầu H điều khiển đƣợc hai động chiều với IC L298 Hai chân OUTPUT1 OUTPUT2 cho động hai chân OUTPUT3 OUTPUT4 cho động thứ 2.Chân INPUT1 đƣa tín hiệu điều khiển động 1, chân INPUT2 đƣa tín hiệu điều khiển động Để điều khiển chiều quay động chiều cần đƣa chân INPUT lên mức 1, đó, với động cơ, giả sử chân OUT1 OUT2, đề điều khiển quay thuận cho OUT1 = 1, OUT2 = 0; điều khiển quay ngƣợc cho OUT1 = 0, OUT2 = 1; dừng động cho đồng thời OUT1 = OUT2 = OUT1 = OUT2 = Với hai chân OUT3 OUT4 làm tƣơng tự sau đƣa INPUT2 lên mức 1.2.2 Điều khiển tốc độ động điện chiều Điều khiển tốc độ động điện u cầu cần thiết có máy móc hoạt động với tốc độ khác nhau, nhanh chậm tùy loại, tùy công việc điều kiện làm việc.Điều chỉnh tốc độ động cách điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp sử dụng cho động chiều động không đồng bộ.Tuy đƣợc sử dụng chủ yếu cho động chiều kích từ độc lập Phƣơng trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập:  U Ru  Rpu  M k (k )2 Trong đó: Ru Rpu điện trở phần ứng điện trở phụ mắc nối tiếp phần ứng K: số M: moment động Φ: từ thông cực U: điện áp cung cấp Nhƣ vậy, Ru, Rpu, M, k, Φ khơng đổi, thay đổi U tốc độ góc ω động thay đổi Điều chỉnh tốc độ động sử dụng chỉnh lưu bán dẫn: Để thực phƣơng pháp điều chỉnh này, cần phải có nguồn cung cấp mà điện áp thay đổi đƣợc để cung cấp cho phần ứng động cơ.Các nguồn điện áp thƣờng đƣợc tạo chỉnh lƣu bán dẫn có điều khiển (dùng thyristor) khơng có điều khiển (dùng diode) Hình 2.3: mạch broad sau dây hồn chỉnh Hình 2.4: mạch 3D sau lắp thiết bị 24 CHƢƠNG CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC 3.1 Chuẩn bị thiết bị Để thiết kế điều khiển sinh viên cần chuẩn bị: - Vi điều khiển Atmega16 : Flash 16 Kbytes, số hoạt động 16MHz, CPU 8- bit AVR - Động DC : động encoder 448 xung, điện áp hoạt động 5V, dòng tiêu thụ 20mA ,áp tối đa 31V, cơng dụng đếm số vịng quay động - : điện áp 5V,RS=0 chọn ghi lệnh,RS=1 chọn LCD ghi liệu,R/W=0 ghi liệu,R/W=1 đọc liệu - : điện áp điều khiển 5V ~12V, dòng điện tối đa LM 298 cầu H=2A,điện áp tín hiệu điều khiển 5V ~7V, dịng tín hiệu điều khiển ~36mA, cơng suất hao phí 20W - Led & Button :button loại chân ,led 3mm - Mạch nguồn : đầu vào 9V, đầu 5V - Mạch linh kiện khác :điện trở, dây điện 3.2 Thiết kế mạch Thực hiện: Làm mạch phƣơng pháp ủi thủ công Bƣớc 1: Vẽ PCB - Sử dụng phần mềm Altium để vẽ board mạch in 25 Hình 3.1: mạch broad sau dây hoàn chỉnh Bƣớc làm chip đồng chuẩn bị cắt phíp đồng Đo kích thƣớc phím đồng kích thƣớc với vi mạch cắt dụng cụ cắt hợp lý không để bị hụt hay thừa Hình 3.2 hình chíp đồng lấy giấy giáp mịn đánh bóng bo mạch đồng làm bo đồng 26 Hình 3.3 làm mạch Bƣớc 3: Là mạch Sau có mạch in ,ta in mạch giấy chuyên dụng để làm Chuẩn bị bo đồng vừa với mạch vừa in Ốp giấy in vào board đồng, ý phải chỉnh cho khớp, lấy phần thừa mạch in Tận dụng cố định chặt giấy với board đồng, lấy băng keo dán cố định mặt lại Sau lấy bàn mạch Hình 3.4 mạch tạo mạch Chú ý: xong mà bị đứt nét lấy bút thiên long tô lại đƣờng dây mạch bị đứt, mực dính vào lấy dao cắt cạnh nhẹ xóa phần dính Bƣớc sau in xong mạch ta ngâm mạch vào dung dịch để tạo mạch 27 Hình 3.5 ngâm mạch vào dung dịch tạo mạch Bƣớc Mang mạch lau rửa lại Hình 3.6 vệ sinh máchau làm xong mạch 28 Bƣớc Khoan lỗ chân linh kiện Dùng khoan có mũi vừa với chân linh kiện để khoan lỗ hợp lý Hình 3.7 khoan chân linh kiện Bƣớc Gắn hàn linh kện lên lỗ khoan hình 3.8 gắn linh kiện 29 Bƣớc Hồn thành gắn linh kiện Hình 3.9 hồn thành sản phẩm 3.3 Lập trình cho vi điều khiển Code chương trình: /******************************************************* This program was created by the CodeWizardAVR V3.12 Advanced Automatic Program Generator © Copyright 1998-2014 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l http://www.hpinfotech.com Project : Version : Date : 2/27/2017 Author : Company : 30 Comments: Chip type : ATmega16L Program type : Application AVR Core Clock frequency: 16.000000 MHz Memory model : Small External RAM size :0 Data Stack size : 256 *******************************************************/ #include // Wire Bus interface functions #include // DS1820 Temperature Sensor functions #include // Alphanumeric LCD functions #include #include #include // Declare your global variables here unsigned char *T=0; char LCD_Buffer[25]; 31 float Temp; void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Function: Bit7=In Bit6=In Bit5=In Bit4=In Bit3=In Bit2=In Bit1=In Bit0=In DDRA=(0