L ỜI MỞ ĐẦU
2.2.THIẾT KẾ CÁC KHỐI
29
trị của nó ta phải dùng các bộ cảm biến. Cảm biến đo nhiệt độ ở đây em chọn loại phổ biến là LM335. Bộ cảm biến LM335 đƣa ra điện áp 10mV cho mỗi sự thay đổi 1oK.
Thông số kĩ thuật:
- Là cảm biến nhiệt độ cho ra các mức điện áp tƣơng ứng với độ Kelvin
Sai số +/- 10C
- Hoạt động trong dải từ 400uA - 5 mA - Trở kháng nội < 1 Ω
- Dải nhiệt độ đo đƣợc -550C đến 1500C
Sơ đồ chân và mạch đo:
Hình 2.2: Sơ đồ chân của LM335. ADJ - Chân hiệu chuẩn.
V+ - Chân cấp nguồn 15V. V- - Chân GND. Hình 2.3: Kết nối VĐK. R2 R1 6K 77.0 SENSOR LM335 E+
30
- Nhiệt độ tính theo độ Kelvin T = Vout /(10mV). Từ độ Kelvin ta có thể đổi ra độ C theo công thức: T(độ C) = T(độ Kenvin) - 273,15 .
2.2.2. Khối xử lý
Đây là khối quan trọng và quản lý toàn bộ hoạt động của mạch. Nhiệm vụ chính của khối là nhận về giá trị nhiệt độ, điều khiển động cơ. Giá trị đo từ LM335 đƣợc cho qua bộ ADC, mạch này ta có thể dùng IC ngoài hoặc đƣợc tích hợp trong một số dòng vi điều khiển. Ở đây em dùng PIC16F877A, vừa chuyển đổi ADC, hiển thị LCD, vừa điều khiển động cơ bằng phƣơng pháp PWM.
31
2.2.3. Khối ADC (tích hợp trong PIC16F877A)
ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa hai dạng tƣơng tự và số. PIC16F877A có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0 và RE2:RE0). Hiệu điện thế chuẩn VREF có thể đƣợc lựa chọn là VDD, VSS hay hiệu điện thế chuẩn đƣợc xác lập trên hai chân RA2 và RA3. Kết quả chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số là 10 bit số tƣơng ứng và đƣợc lƣu trong hai thanh ghi ADRESH : ADRESL. Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thể đƣợc sử dụng nhƣ các thanh ghi thông thƣờng khác. Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽ đƣợc lƣu vào hai thanh ghi ADRESH : ADRESL, bit GO/DONE (ADCON0<2>) đƣợc xóa về số 0 và cờ ngắt ADIF đƣợc set.
Quá trình chuyển đổi từ tƣơng tự sang số bao gồm các bƣớc: + Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC:
- Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp lấy mẫu (dựa trên các thông số của thanh ghi ADCON1).
- Chọn kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0).
- Chọn xung clock cho kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0). - Cho phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0). + Thiết lập các cờ ngắt cho AD:
- Clear bit ADIF. - Set bit ADIE. - Set bit PEIE. - Set bit GIE.
+ Đợi cho tới khi quá trình lấy mẫu hoàn tất.
+ Bắt đầu quá trình chuyển đổi (set bit GO/DONE ).
+ Đợi cho tới khi quá trình chuyển đổi hoàn tất bằng cách :
- Kiểm tra bit GO/DONE . Nếu GO/DONE =0, quá trình chuyển đổi đã hoàn tất.
32 - Kiểm tra cờ ngắt.
+ Đọc kết quả chuyển và xóa cờ ngắt, set bit GO/DONE (nếu cần tiếp tục chuyển đổi).
+ Tiếp tục thực hiện các bƣớc 1 và 2 cho quá trình chuyển đổi tiếp theo. Các thanh ghi liên quan đến bộ chuyển đổi ADC gồm:
- INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh,18Bh): cho phép ngắt (các bit GIE, PEIE).
- PIR1(địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt AD (bit ADIF). - PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứa bit điều khiển AD (ADIE).
- ADRESH (địa chỉ 1Eh) và ADRESL (địa chỉ 9Eh) : các thanh ghi chứa kết quả chuyển đổi AD.
- ADCON0 (địa chỉ 1Fh) và ADCON1 (địa chỉ 9Fh): xác lập các thông số cho bộ chuyển đổi AD.
- PORTA (địa chỉ 05h) và TRISA (địa chỉ 85h): liên quan đến các ngõ vào analog ở PORTA.
- PORTE (địa chỉ 09h) và TRISE (địa chỉ 89h): liên quan đến các ngõ vào analog ở PORTE.
2.2.4. Khối khuếch đại hiệu chỉnh
Hình 2.5: Mạch khuếch đại hiệu chỉnh.
V0 Vin V1 Ua R5 5.47K R1 6K 3 2 1 8 4 U11:A TL082 V- V+ R3 10K +88.8 Volts 58.0 SENSOR LM335 E+ R2 10K R4 14.53K 5 6 7 8 4 U12:B TL082 R8 8.3K R6 10K R7 50K Vc- Vc+
33
Ở đây, mạch khuếnh đại hiệu chỉnh đƣợc dùng để chuyển dải điện áp trong LM335 (Vout=2,73÷3,73V tƣơng ứng với dải nhiệt độ đo 0÷1000C) thành dải từ 0÷5V rồi đƣa vào bộ ADC tích hợp trong PIC16F877A.
Mạch khuếch đại hiệu chỉnh đƣợc tích hợp từ mạch trừ và mạch khuếch đại. Cụ thể, dải điện áp ra từ LM335 (Vin=2,73÷3,73V) qua mạch trừ thành dải V1=(0÷(-1))V, sau đó qua mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại (-5) chuyển thành dải 0÷5V.
Tính chọn giá trị điện trở trong mạch:
Chọn R2+R3=R4+R5 Thay Vin=2,73 và Vin=3,73, V1=0 và V1=(-1) vào ta đƣợc: => R3=R2 ; R5.V0 - 2,73.R3=0 Chọn R2=10kΩ =>R3=10kΩ. Chọn V0=5V =>R4=14,54kΩ. Có : Chọn R6=10kΩ =>R7=50kΩ; R8=8,3kΩ. 2.2.5. Khối công suất
Ở đây sử dụng phƣơng pháp PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển tốc độ của động cơ DC. Phƣơng pháp điều chế PWM là phƣơng pháp
34
điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phƣơng pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ra. Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sƣờn dƣơng hay là sƣờn âm. Điều khiển động cơ sử dụng phƣơng thức điều chế xung PWM là một trong các phƣơng thức đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong điều khiển động cơ ứng dụng trong công nghiệp, dân dụng cũng nhƣ trong nhiều ứng dụng khác, ngoài ra PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn nhƣ là: boot, buck, nghịch lƣu 1 pha và 3 pha ... Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đƣờng đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Nhƣ vậy PWM đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện, điện tử.
Hình 2.6: Xung PWM và điện áp đầu ra
Hình 2.6. là sơ đồ đặc tả xung PWM và cách thức tính điện áp đầu ra đƣa tới động cơ. Nhìn vào sơ đồ ta có
- Chu kỳ của xung PWM là thời gian T. - Thời gian phát xung PWM là t1
- Thời gian nghỉ không phát xung là t2 Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải:
35 Trong đó:
- Vout là điện áp ra - Vin là điện áp đầu vào
- Duty là % thời gian phát xung đƣợc tính bằng: Duty = t1/T.100%
Trong khối điều khiển, PIC16F877A điều khiển động cơ thông qua quá trình tạo xung PWM rồi đƣa vào mạch cầu H tích hợp trong IC Driver L293D.
Nguyên lý hoạt động mạch cầu H:
Mạch cầu H là một trong những mạch đƣợc sử dụng rộng rãi cho việc điều khiển động cơ.
Hình 2.7: Mạch cầu H.
- Trong hình 2.7, “đối tƣợng” là động cơ DC mà ta cần điều khiển, “đối tƣợng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tƣợng” theo chiều A đến B hoặc B đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R: Right). Ở điều kiện bình thƣờng 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động. Hoạt động của mạch cầu H đƣợc mô tả trong hình 2.8a và 2.8b.
36
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
+ Ở hình 2.8a L1 và R2 đƣợc “đóng lại” , L2 và R1 vẫn mở, dòng điện sẽ chạy từ V qua khóa L1 và đi qua đối tƣợng đến đầu B của nó trƣớc khi qua R2 về GND.
+ Ở hình 2.8b L2 và R1 đƣợc “đóng lại”, L1 và R2 mở, dòng điện sẽ chạy từ V qua khóa R1 và đi qua đối tƣợng đến đầu B của nó trƣớc khi qua L2 về GND.
Nhƣ vậy, có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua một “đối tƣợng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ).
IC Driver L293D: là hai bộ mạch cầu H đƣợc tích hợp trong cùng IC. Thông số kĩ thuật L293D:
+ Điện áp cực đại: 36V. + Dòng ra cực đại: 1.2A.
+ Dải nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 150oC.
L293D là một chip tích hợp 2 mạch cầu H trong gói 16 chân. Tất cả các mạch kích, mạch cầu đều đƣợc tích hợp sẵn. L293D có điện áp danh nghĩa
37
cao (lớn nhất 36V) và dòng điện danh nghĩa lớn nhất 1.2A nên rất thích hợp cho các các ứng dụng công suất nhỏ nhƣ các động cơ DC loại nhỏ và vừa.
Hình 2.9: Sơ đồ chân L293D.
Có 2 mạch cầu Htrên mỗi chip L293D nên có thể điều khiển 2 đối tƣợng chỉ với 1 chip này. Mỗi mạch cầu bao gồm 1 đƣờng nguồn Vs (thật ra là đƣờng chung cho 2 mạch cầu), một đƣờng current sensing (cảm biến dòng), phần cuối của mạch cầu H không đƣợc nối với GND mà bỏ trống cho ngƣời dùng nối một điện trở nhỏ gọi là sensing resistor.
38
Động cơ sẽ đƣợc nối với 2 đƣờng OUT1, OUT2 (hoặc OUT3, OUT4 nếu dùng mạch cầu bên phải). Một chân En (EnA và EnB cho 2 mạch cầu) cho phép mạch cầu hoạt động, khi chân En đƣợc đặt lên mức cao, mạch cầu sẵn sàng hoạt động.
2.2.6. Khối hiển thị
Để thuận tiện cho việc hiển thị kí tự và chế độ cài đặt trạng thái điều khiển, ở em đây sử dụng LCD_DM 16x2A.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lí của LCD16x2A.
LCD16x2A là loại 2 dòng, 16 kí tự, sử dụng nguồn nuôi thấp (từ 2,5 đến 5V). Có thể hoạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit.
2.2.7. Motor DC
Ngày nay, động cơ điện một chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp vì nó cung cấp công suất cơ không đổi hoặc moment không đổi, tốc độ động cơ đƣợc điều chỉnh trong phạm vi rộng, điều khiển tốc độ hoặc vị trí một cách chính xác, vận hành hiệu quả ở dải tốc độ rộng, tăng tốc và giảm tốc nhanh, và đáp ứng nhanh với các tín hiệu phản hồi.
Ứng dụng của động cơ điện một chiều rất rộng rãi. Nhƣ với động cơ công suất nhỏ, động cơ đƣợc sử dụng trong các thiết bị điều khiển, động cơ
39
cần gạt nƣớc, động cơ quạt, động cơ của bộ khởi động và một số động cơ chấp hành khác.Với động cơ công suất lớn: động cơ truyền động trong các băng tải, máy bơm, cần trục, cần cẩu, xe nâng, quạt, máy cán thép và nhôm,....
2.2.7.1. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều
a) Cấu tạo:
Cấu tạo của động cơ gồm: Stato (phần tĩnh), rôto (phần động) và phần chỉnh lƣu (chổi than và cổ góp).
- Stator thƣờng là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện.
- Rotor có các cuộn dây quấn và đƣợc nối với nguồn điện một chiều.
- Bộ phận chỉnh lƣu có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Bộ phận này gồm bộ cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Vành góp nằm trên phần ứng và bao gồm một số phiến góp hình cung tròn đƣợc lắp ráp vào một đầu hình trụ gắn và cách điện với trục.
b) Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều:
Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dƣơng sẽ bị tác động bởi một lực hƣớng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hƣớng xuống theo nguyên lí bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay.
Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với ½ chu kì. Khi mặt của cuộn dây song song với các đƣờng sức từ trƣờng, tức lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phƣơng ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.
40
Trong các máy điện một chiều lớn, ngƣời ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay đƣợc liên tục và hầu nhƣ không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.
Hình 2.12: Động cơ DC.
Dòng điện I đi qua mạch phần ứng của động cơ đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình sau:
U là điện áp đặt vào mạch phần ứng, Rƣ là điện trở mạch phần ứng, và Eƣlà sức điện động phần ứng.
2.2.7.2. Các phƣơng pháp điều khiển motor DC
Từ phƣơng trình tính tốc độ:
Để điều chỉnh ω : - Điều chỉnh U.
- Điều chỉnh bằng cách thêm vào mạch phần ứng. - Điều chỉnh từ thông ϕ.
a) Điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng thêm :
Mắc nối tiếp vào phần ứng làm tăng lên, ω giảm, độ dốc của đƣờng đặc tính giảm. Các đƣờng 1, 2 là đƣờng đặc tính sau khi tăng , đƣờng TN là đƣờng đặc tính tự nhiên của động cơ ban đầu.
41
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhƣng do thêm nên tổn hao tăng, không kinh tế.
Hình 2.13: Đặc tính cơ của motor DC khi thêm . b) Điều khiển từ thông:
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện từ của động cơ M=K.ϕ. và sức điện động quay của động cơ
K.ϕ.ω. Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn của việc thay đổi từ thông. Nhƣng theo công thức trên khi ϕ thay đổi thì moment, dòng điện I cũng thay đổi nên khó tính đƣợc chính xác dòng điều khiển và moment tải.
c) Điều khiển điện áp phần ứng:
Có hai phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng điện áp: - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ.
42
Trong đó thông thƣờng sử dụng phƣơng pháp điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng. Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phƣơng trình sau:
Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tƣởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển
của hệ thống, do đó có thể nói phƣơng pháp điều khiển này là triệt để. Đặc tính thu đƣợc khi điều khiển là một họ đƣờng song song:
Hình 2.14: Đặc tính cơ của motor DC khi thay đổi điện áp phần ứng.
Nguyên lí điều khiển: Dùng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM để thay đổi điện áp động cơ.
43
K
D Ud LEu
Ru
U
Hình 2.15: Mạch nguyên lí phƣơng pháp điều chế độ rộng xung.
Khi K=1 (đóng): có dòng điện. Khi K=0 (mở): không có dòng điện.
2.2.8. Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống
44 Hình 2.15: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống. M od e Up Down Ua Ua Mod e Up Down On_ O ff DI S PW M PW M DI S EN O n_ O ff EN RA 0/A N0 2 RA 1/A N1 3 RA 2/A N2/ VRE F- /C VR EF 4 RA 4/T 0CK I/C1 O UT 6 RA 5/A N4/ SS /C2 O UT 7 RE 0/A N5 /R D 8 RE 1/A N6 /W R 9 RE 2/A N7 /C S 10 O SC1/ CLK IN 13 O SC2/ CLK O UT 14 RC 1/T 1O SI /CCP 2 16 RC 2/CC P1 17 RC 3/S CK /S CL 18 RD 0/P SP 0 19 RD 1/P SP 1 20 RB 7/P G D 40 RB 6/P G C 39 RB 5 38 RB 4 37 RB 3/P G M 36 RB 2 35 RB 1 34 RB 0/I NT 33 RD 7/P SP 7 30 RD 6/P SP 6 29 RD 5/P SP 5 28 RD 4/P SP 4 27 RD 3/P SP 3 22 RD 2/P SP 2 21 RC 7/RX /D T 26 RC 6/T X/C K 25 RC 5/S DO 24 RC 4/S DI /S DA 23 RA