Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ. Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen.
Phần lớn các động cơ điện hoạt động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng. Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường. Lực này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường.
83
Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều.
Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử... Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai. Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công tắc tơ đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều).
Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng Thyristor, transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân. Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật nhanh. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình. Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng của phần ứng sẽ làm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một đi ốt gọi là đi ốt phi hồi, nối song song với động cơ. Tại thời điểm này, dòng điện của mạch cung cấp sẽ bằng không trong khi dòng điện qua động cơ vẫn khác không và dòng trung bình của động cơ vẫn luôn lớn hơn dòng điện trong mạch cung cấp, trừ khi tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100%. Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau. Mạch đóng cắt tức thời này ít bị tổn hao năng lượng hơn mạch dùng điện trở. Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (pulse width modulation, or PWM), và thường được điều khiển bằng vi xử lý. Đôi khi người ta còn sử dụng mạch lọc đầu ra để làm bằng phẳng điện áp đầu ra và giảm bớt tạp nhiễu của động cơ.
Vì động cơ điện một chiều kiểu nối tiếp có thể đạt tới mô men quay cực đại từ khi vận tốc còn nhỏ, nó thường được sử dụng để kéo, chẳng hạn đầu máy xe lửa hay tàu điện. Một ứng dụng khác nữa là để khởi động các loại động cơ xăng hay động cơ điezen loại nhỏ. Tuy nhiên nó không bao giờ dùng trong các ứng dụng mà hệ thống
84
truyền động có thể dừng (hay hỏng), như băng truyền. Khi động cơ tăng tốc, dòng điện phần ứng giảm (do đó cả trường điện cũng giảm). Sự giảm trường điện này làm cho động cơ tăng tốc cho tới khi tự phá hủy chính nó. Đây cũng là một vấn đề với động cơ xe lửa trong trường hợp mất liên kết, vì nó có thể đạt tốc độ cao hơn so với chế độ làm việc định mức. Điều này không chỉ gây ra sự cố cho động cơ và hộp số, mà còn phá hủy nghiêm trọng đường ray và bề mặt bánh xe vì chúng bị đốt nóng và làm lạnh quá nhanh. Việc giảm từ trường trong bộ điều khiển điện tử được ứng dụng để tăng tốc độ tối đa của các phương tiện vận tải chạy bằng điện. Dạng đơn giản nhất là dùng một bộ đóng cắt và điện trở làm yếu từ trường, một bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát dòng điện của động cơ và sẽ chuyển mạch, đưa các điện trở suy giảm từ vào mạch khi dòng điện của động cơ giảm thấp hơn giá trị đặt trước. Khi điện trở được đưa vào mạch, nó sẽ làm tăng tốc động cơ, vượt lên trên tốc độ thông thường ở điện áp định mức. Khi dòng điện tăng bộ điều khiển sẽ tách điện trở ra, và động cơ sẽ trở về mức ngẫu lực ứng với tốc độ thấp.
Một phương pháp khác thường được dùng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều là phương pháp điều khiển theo kiểu Ward-Leonard. Đây là phương pháp điều khiển động cơ một chiều (thường là loại kích thích song song hay hỗn hợp) bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều, mặc dù nó không được tiện lợi như những sơ đồ điều khiển một chiều. Nguồn điện xoay chiều được dùng để quay một động cơ điện xoay chiều, thường là một động cơ cảm ứng, và động cơ này sẽ kéo một máy phát điện một chiều. Điện áp ra của phần ứng máy phát một chiều này được đưa thẳng đến phần ứng của động cơ điện một chiều cần điều khiển. Cuộn dây kích từ song song của cả máy phát điện và động cơ điện một chiều sẽ được kích thích độc lập qua các biến trở kích từ. Có thể điều khiển tốc độ động cơ rất tốt từ tốc độ = 0 đến tốc độ cao nhất với ngẫu lực phù hợp bằng cách thay đổi dòng điện kích thích của máy phát và động cơ điện một chiều. Phương pháp điều khiển này đã được xem là chuẩn mực cho đến khi nó bị thay thế bằng hệ thống mạch rắn sử dụng Thyristor. Nó đã tìm được chỗ đứng ở hầu hết những nơi cần điều khiển tốc độ thật tốt, từ các hệ thống thang nâng hạ người trong các hầm mỏ, cho đến những máy công nghiệp cà các cần trục điện. Nhược điểm chủ yếu của nó là phải cần đến ba máy điện cho một sơ đồ (có thể lên đến 5 trong các ứng dụng rất lớn vì các máy DC có thể được nhân đôi lên và điều khiển bằng các biến trở chỉnh đồng thời). Trong rất nhiều ứng dụng, hợp bộ động cơ - máy phát điện thường được duy trì chạy không tải, để tránh mất thời gian khởi động lại.
Mặc dù các hệ thống điều khiển điện tử sử dụng Thy ris tor đã thay thế hầu hết các hệ thống Ward Leonard cỡ nhỏ và trung bình, nhưng một số hệ thống lớn (cỡ vài trăm mã lực) vẫn còn đắc dụng. Dòng điện kích từ nhỏ hơn nhiều so với dòng điện phần ứng, cho phép các Thyristor cỡ trung bình có thể điều khiển một động cơ lớn
85
hơn rất nhiều, so với điều khiển trực tiếp. Thí dụ, trong một ứng dụng, một bộ Thy ris tor 300 am pe có thể điều khiển một máy phát điện. Dòng điện ngõ ra của máy phát này có thể lên đến 15.000 am pe, với cùng dòng này, nếu điều khiển trực tiếp bằng thy ris tor thì có thể rất khó khăn và giá thành cao.
Hiện nay, để điều khiển động cơ mội chiều (DC motor), có rất nhiều phương pháp được đưa ra. Với sự ra đời của vi xử lý, bộ điều khiển số dần thay thế các bộ điều khiển tương tự truyền thống bởi nhiều ưu điểm. Về bộ điều khiển số, có rất nhiều phương pháp được đề nghị như: PID số, Fuzzy logic, Lyapounov,..
2.3.2. Thiết kế mạch điều khiển động cơ
86
Hình 163. Mạch in
87 Mô tả:
Khối nguồn
Hình 165. Khối nguồn
Khối Điều khiển
88 Khối Điều khiển Động cơ Servo
Hình 167. Khối điều khiển động cơ Servo
Khối điều khiển động cơ DC
89 Khối truyền thông UART
Hình 169. Khối truyền thông
Khối cảm biến trọng lượng (dự kiến) Loadcell CAS BCL100
90
Hình 170. Loadcell CAS BCL100
Hình 171. Cấu tạo Loadcell CAS BCL100
Thông số kỹ thuật của Loadcell CAS BL100
Bảng thông số kỹ thuật của Loadcell CAS BCL100
Tải trọng lớn nhất kgf 100
Tỉ lệ điện áp đầu ra Điện áp không tải
mV/ V mV/ V 2.0 ± 0.2 0 ± 0.1 Sai số Sai số lặp lại
Độ ổn định sau khi tải (30 phút) Ảnh hưởng của nhiệt độ
Điện áp không tải Điện áp đầu ra % % % %/ 10℃ %/ 10℃ 0.03 0.01 0.03 0.028 0.014 Điện áp kích thích Điện áp đề nghị Điện áp lớn nhất Trở kháng Đầu vào Đầu ra Cách điện V V Ω Ω MΩ 10 15 400 ± 20 350 ± 3.5 ＞2,000
91 Khoảng nhiệt độ đảm bảo
Khoảng nhiệt độ làm việc ℃ ℃
-10 to +40 -20 to +70
Chuẩn bảo vệ IP67
Loại cảm biến Single Point
Chất liệu anodized aluminum
Mức quá tải an toàn 150%
Chiều dài dây tín hiệu 2.5m Khối chuyển đổi tương tự số
Tín hiệu điện tương tự từ Loadcell sẽ được đưa tới khối chuyển đổi tương tự số. Khối chuyển đổi tương tự số có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, đưa tín hiệu số vào khối vi xử lý trung tâm để xử lý, hiển thị thông tin khối lượng.
Sau khi tìm hiểu yêu cầu của sản phẩm, cũng như phân tích tín hiệu điện áp tương tự đầu ra của Loadcell, bộ chuyển đổi tương tự số ADC 24-bit HX711 đáp ứng đầy đủ những yêu cầu phân tích ở trên.
Một số tính năng của ADC 24-bit HX711 2 kênh đầu vào tương tự.
Tích hợp IC khuyếch đại tạp âm thấp với các mức khuyếch đại 32, 64, 128. Tích hợp mạch ổn áp phục vụ cho cấp nguồn Loadcell và điện áp tham chiếu. Tích hợp mạch dao động trong chip, ngoài ra có thể sử dụng thạch anh ngoài. Truyền thông nối tiếp.
Tốc độ dữ liệu đầu ra: 10SPS hoặc 80SPS. Điện áp hoạt động: 2.5V - 5.5V DC.
Dòng diện tiêu thụ: 1.5mA khí hoạt động bình thường và 1.5uA khi ở chế độ ngủ.
Nhiệt độ hoạt động: -400C ~ 850C. Ứng dụng cho mạch cân điện tử. Sơ đồ khối của ADC 24-bit HX711
92
Hình 172. Sơ đồ khối của IC HX711
Điện áp tương tự được khuếch đại bằng bộ khuyếch đại tạp âm thấp với hệ số khuyếch đại là 32,64,128. Tín hiệu sau khi khuếch đại được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự số ADC 24bit. Dữ liệu số đầu ra được gửi đi qua bộ giao tiếp. Điện áp tham chiếu của bộ ADC ổn định do IC sử dụng bộ ổn áp tương tự.
Sơ đồ chân của ADC 24-bit HX711
93
Bảng chú thích chi tiết các chân của IC HX711
PIN Tên Chức năng Miêu tả
1 VSUP Cấp nguồn DC 2.7 ~ 5.5V
2 BASE Đầu ra tương tự Đầu ra điều khiển ổn áp (không nối khi không sử dụng)
3 AVDD Điện áp tham chiếu DC 2.7 ~ 5.5V
4 VFB Đầu vào tương tự Đầu vào điều khiển ổn áp (Nối đất khi không sử dụng)
5 AGND Đất Chân nối đất
6 VBG Đầu ra tương tự Điện áp tham chiếu của ổn áp
7 INA- Đầu vào tương tự Đầu âm tín hiệu tương tự kênh A
8 INA+ Đầu vào tương tự Đầu dương tín hiệu tương tự kênh A
9 INB- Đầu vào tương tự Đầu âm tín hiệu tương tự kênh B
10 INB+ Đầu vào tương tự Đầu dương tín hiệu tương tự kênh B
11 PD_SCK Đầu vào số Chân xung nhịp cho việc truyền dữ liệu
12 DOUT Đầu ra số Dữ liệu đầu ra
13 XO Đầu ra/vào số Nối với thạch anh ngoài (không nối khi không sử dụng)
14 XI Đầu vào số Mức 0: sử dụng thạch anh nội, mức 1: sử dụng thạch anh ngoài
15 RATE Đầu vào số Tốc độ dữ liệu, mức 0: 10Hz, mức 1: 80Hz
16 DVDD Cấp nguồn DC 2.7 ~ 5.5V
94
Hình 174. Sơ đồ thiết kế khối chuyển đổi tương tự số sử dụng ADC 24-bit HX711
Như đã trình bày ở phần trước, để đảm bảo sự cân bằng về lực, độ chính xác của giá trị lực mà Loadcell nhận được, chúng tôi sử dụng 2 Loadcell đặt ở 2 đầu chịu lực. HX711 hỗ trợ 2 kênh vào tương tự A và B, nhưng kênh B lại chỉ hỗ trợ hệ số khuyếch đại là 32 nên chúng tôi quyết định không sử dụng kênh B. Thay vào đó, chúng tôi sử dụng 2 mạch chuyển đổi số tương tự sử dụng IC HX711 cho 2 Loadcell. Hình trên là mạch thiết kế của một Loadcell và 1 mạch chuyển đổi số tương tự dùng IC HX711, HX711 sử dụng bộ dao động nội (Chân XI được nối với đất), số ký tự xuất ra trong 1 giây là 10 (Chân RATE nối đất). Tín hiệu điện áp từ Loadcell được đưa vào kênh A đi qua bộ khuyếch đại tạp âm thấp có hệ số 128. Hai chân PD_SCK, DOUT phục vụ cho việc truyền thông nối tiếp giữa HX711 với khối xử lý. Trong đó, Chân PD_SCK có nhiệm vụ tạo xung nhịp cho việc truyền dữ liệu. Khi chân PD_SCK chuyển trạng thái từ mức “0” lên mức “1". 1 bit dữ liệu được xuất ra từ chân DOUT.
Để đảm bảo độ chính xác cao khi nhận tín hiệu từ cảm biến, chúng tôi lựa chọn phương án sử dụng mạch ổn áp cho điện áp tham chiếu (Reference Voltage) và điện áp kích thích (Excitation Voltage) tích hợp sẵn trên HX711. Giá trị điện áp AVDD=VBG*(R12+R13)/R13 = 1.25*(20k+8.2k)/8.2k = 4.3 (V).
Loadcell được kích thích bởi điện áp có giá trị AVDD=4.3V, khi Loadcell chịu tải trọng lớn nhất, điện áp đầu ra Loadcell có giá trị 2*4.3 = 8.3mV. Điện áp tham chiếu của HX711 là 4.3V, sử dụng khuyếch đại tạp âm thấp có hệ số 128 nên dải điện áp đưa vào kênh A phải nằm trong khoảng –(1/2)*VADD/128 ~ (1/2)*VADD/128, trong mạch thiết kế này là -16mV ~ 16mV (> 8.3mV).
Mặt khác, độ chính xác của mạch cân khối lượng là 0.1Kg. Khi có sự thay đổi khối lượng là 0.1Kg, giá trị điện thế thay đổi sẽ là 8.3mV/1000 = 8.3uV. HX711 có độ phân giải là 24 bit, giá trị mà HX711 có thể tạo ra từ 0 đến 224-1. Giá trị điện áp làm thay đổi một mức giá trị của HX711 là 16mV/(224-1)=0.001uV (< 8.3uV).
95
Qua phân tích ở trên, thiết kế mạch ở hình trên phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của mạch. Code: void Delay__hx711_us(void) { delay_ms(1); }
unsigned long int HX711_Read(void) {
unsigned long int count; unsigned char i; HX711_DOUT=1; Delay__hx711_us(); HX711_SCK=0; count=0; while(HX711_DOUT); for(i=0;i<24;i++) { HX711_SCK=1; count=count<<1; HX711_SCK=0; if(HX711_DOUT) count++; } HX711_SCK=1; count=count^0x007FFFFF; Delay__hx711_us(); HX711_SCK=0; return(count);
96 } #include <mega128.h> #include <delay.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h>
#define HX711_DOUT PIND.0 #define HX711_SCK PORTD.1 //#define Uee 3.93 // (volt)
//#define Weight_Max 3000 // (gam) //#define Error 0.05 // (volt)
//#define Volt_N 5.0/9 // ti le giua Volt/Uee
//char flash *str='123'; char rx_buf='\0'; int temp; char str[]; char buffer[]; char buffer1[]; unsigned int temp1; unsigned long int value; unsigned int weight,weight1; unsigned char Flag_Rx;
unsigned char UART_Buffer_RX[30]; unsigned char Index;
unsigned char Flag_Buf_Rx;
97 unsigned char Cov[16];