Hình 7. 20 - Kết quả mơ phỏng tốc độ khi zoom
➢ Nhận xét:
- Tốc độ động cơ bám sát với tốc độ đặt và đạt xác lập nhanh (t<0.02s), tuy nhiên, tại các thời điểm momen và tốc độ thay đổi vẫn có độ quá điều chỉnh nhỏ.
Trang 62
7.6.2. Tốc độ, dòng điện và momen
Hình 7. 21 - Kết quả mơ phỏng tốc độ, dịng điện và momen
➢ Phân tích
• Các khoảng thời gian tốc độ yêu cầu tăng thì momen và dịng điện cũng tăng để đưa tốc độ thực đáp ứng với yêu cầu.
• Khi tốc độ động cơ không biến thiên, momen và dịng điện cũng khơng đổi.
• Momen và dịng điện đảo chiều khi tốc độ đảo chiều.
➢ Kiểm nghiệm:
• Xét tại 0 < 𝑡 ≤ 1 , tốc độ yêu cầu của động cơ thay đổi nên momen và dịng điện tăng dần.
• Xét 1 ≤ 𝑡 ≤ 3 tốc độ động cơ khơng đổi.
• Xét 3 ≤ 𝑡 ≤ 3.5 tốc độ động cơ giảm dần nên dòng điện và momen giảm theo.
➢ Nhận xét:
- Tính tương tự dịng và momen cho các khoảng thời gian còn lại, ta thấy momen và dịng điện trung bình mơ phỏng theo gần đúng với phân tích lí thuyết. Dịng điện và momen dao động khá ít ở kết quả đầu ra.
Trang 63
7.6.3. Tương quan giữa momen, điện áp và tốc độ
Hình 7. 22 - Kết quả mơ phỏng tốc độ, điện áp và momen
Hình 7. 23 - Kết quả mô phỏng tốc độ, điện áp và momen khi zoom lớn
➢ Phân tích:
▪ Khi tốc độ yêu cầu của động cơ tăng, điện áp đặt vào phần ứng của động cơ cũng tăng để tốc độ thực đạt yêu cầu.
Trang 64
• Khi tốc độ đảo chiều, bộ chỉnh lưu cũng đảo chiều điện áp cấp cho động cơ, momen đảo chiều tương ứng.
➢ Nhận xét:
• Giá trị điện áp trung bình theo gần như phân tích, tương ứng với sự thay đổi của momen và tốc độ.
• Với 3.5 ≤ 𝑡 ≤ 7, điện áp đảo chiều dẫn đến sự đảo chiều của tốc độ
7.6.4. Ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống
Trang 65
Hình 7. 25 - Đồ thị tốc độ, dịng điện, momen của động cơ khi có nhiễu
➢ Nhận xét:
• Tốc độ động cơ khơng đổi khi có khâu nhiễu đặt vào hệ thống.
• Tại thời điểm có nhiễu, momen động cơ tăng thêm đúng bằng độ lớn của phần nhiễu đặt vào.
7.7. KẾT LUẬN CHUNG
- Hệ thống hoạt động tương đối tốt với giá trị trung bình của các đại lượng tốc độ, momen, dòng điện và điện áp theo đúng với giá trị tính tốn trên lí thuyết. - Thời gian xác lập của tốc độ đạt t = 0.03s
- Khâu lọc hoạt động hiệu quả nên kết quả đầu ra của các đại lượng khá phẳng. - Tại các thời điểm momen tải thay đổi, vẫn còn độ quá điều chỉnh nhỏ ở tốc độ động cơ.
Trang 66
CHƯƠNG 8: CODE VI ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS
8.1. GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO UNO R3
8.1.1. Arduino Uno R3 là gì?
- Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc,
một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
Hình 8. 1 - Mặt trên Arduino Uno R3
Trang 67
- Các thông số chi tiết của Arduino Uno R3:
Vi xử lý Atmega328
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào 7-12V
Điện áp đầu vào (Giới hạn) 6-20V
Chân vào/ra (I/O) số 14 ( 6 chân có thể cho đầu ra PWM)
Chân vào/ra (I/O) số PWM 6
Chân vào tương tự 6
Dòng điện trong mỗi chân I/O 20mA
Dòng điện chân nguồn 3.3V 50mA
Bộ nhớ trong 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB dùng cho
bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) LED_BUILTIN 13 Xung nhịp 16MHz Chiều rộng 53.4 mm Khối lượng 25g Chiều dài 68.6 mm
Trang 68
8.2. Cấu tạo Arduino Uno R3
Hình 8. 3 – Sơ đồ cấu tạo Arduino
✓ Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:
- Cổng USB (1): đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.
Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
- Jack nguồn(2): để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng
khơng phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được . Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V.
- Các chân của Arduino Uno R3:
+ GND (3): Viết tắt của ‘Ground’. Có 2 chân GND, có thể sử dụng bất kỳ chân nào
Trang 69
+ 5V (4) & 3.3V (5): Chân 5V cấp nguồn 5 vôn, và chân 3.3V cấp nguồn 3,3 vôn.
Hầu hết các linh kiện đơn giản sử dụng với Arduino chạy ổn định ở 5 hoặc 3,3 vơn.
+ Analog (6): Khu vực các chân có ký hiệu 'Analog In' (A0 đến A5) là các chân
nhận tín hiệu đầu vào. Các chân này có thể đọc tín hiệu từ một cảm biến tương tự và chuyển đổi nó thành một giá trị số mà chúng ta có thể đọc.
+ Digital (7): Qua khu vực các chân analog là tới các chân digital (0 đến 13). Các
chân này sử dụng cho cả đầu vào digital và đầu ra digital
+ PWM (8): các chân có dấu ngã (~) bên cạnh một số chân số (3, 5, 6, 9, 10 và 11).
Các chân này hoạt động như các chân digital thơng thường, ngồi ra có thể sử dụng cho điều chế độ rộng xung (PWM).
+ AREF (9): Là viết tắt của tham chiếu analog.
- Nút reset (10): . Nếu nhấn nút này sẽ tạm thời kết nối chân reset với đất và khởi
động lại bất kỳ mã nào được nạp trên Arduino.
- Đèn LED báo nguồn (11): Đèn LED này sẽ sáng lên khi cắm Arduino vào nguồn
điện.
- RX TX: TX là viết tắt của truyền, RX là viết tắt của nhận để chỉ ra các chân chịu
trách nhiệm về giao tiếp nối tiếp. Có hai vị trí trên UNO Arduino nơi TX và RX xuất hiện - vị trí thứ nhất là chỗ các chân số 0 và 1, và vị trí thứ hai bên cạnh đèn LED báo TX và RX (12). Những đèn LED này sẽ cung cấp chỉ dẫn trực quan bất cứ khi nào Arduino nhận hoặc truyền dữ liệu.
- Vi điều khiển AVR (13): đây là bộ xử lí trung tâm của tồn bo mạch. Với mỗi
mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328.
- Bộ điều chỉnh điện áp (14): là thứ khơng có tương tác với Arduino. Nhưng nó
điều chỉnh lượng điện áp được đưa vào bo mạch Arduino. Giống như người gác cổng, nó sẽ xử lý điện áp phụ có thể gây hại cho mạch.
Trang 70
Hình 8. 4 - Sơ đồ chi tiết chân Arudino
8.2. TỔNG QUAN LCD 20×4 VÀ GIAO TIẾP I2C
8.2.1. LCD 20×4
Trang 71
Hình 8. 5 - LCD 20x4
- Thông số kĩ thuật của LCD 20×4:
Điện áp MAX 7V
Điện áp MIN - 0,3V
Hoạt động ổn định 2.7-5.5V
Điện áp ra mức cao > 2.4
Điện áp ra mức thấp <0.4V
Dòng điện cấp nguồn 350uA - 600uA
Nhiệt độ hoạt động - 30 - 75 độ C
Bảng 8 - Thơng số của LCD 20×4
✓ Chức năng của từng chân LCD 20×4:
- Chân số 1 - VSS: chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển - Chân số 2 - VDD: chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch
điều khiển
- Chân số 3 – VE: điều chỉnh độ tương phản của LCD
Trang 72 + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD - Chân số 5 - R/W: chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0”
để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
- Chân số 6 – E: chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-
DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau:
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi
phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên
(low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp
- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thơng
tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)
- Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền - Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền
Trang 73
8.2.2. Module I2C
Hình 8. 6 - Modulde I2C
- LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển.
- Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 20×4 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
- Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
- Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động 2.5-6V DC.
Hỗ trợ màn hình LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).
Giao tiếp I2C
Địa chỉ mặc định 0×27
Trang 74
8.3. MẠCH LÁI CỰC CỬA CHO MOSFET SỬ DỤNG IR2112
8.3.1. Lý do cần mạch lái cực cửa
- Để kích mở Mosfet phải đặt điện áp đủ lớn là VGS vào giữa cực G và cực S, điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch này
- Mà biên độ đỉnh điện áp PWM đưa ra của vi điều khiển chỉ là 5V, do đó khơng kích mở được tồn tồn cơng suất Mosfet
- Ngoài ra, đối với Mosfet phía cao (High side) và MOSFET phía thấp (Low side) thì điện áp kích mở Mosfet sẽ khác nhau
+ Mosfet phía cao: Mosfet được nối trực tiếp đến nguồn điện áp cao, tải tiêu thụ
nối đất hoặc nối đến một công tắc MOSFET khác. Mạch lái phía cao là mạch tham chiếu cực nguồn của MOSFET.
Hình 8. 7 - Mosfet phía cao
+ Mosfet phía thấp: Mosfet được nối với đất, nguồn điện áp cao được nối với tải.
Mạch này là mạch phía thấp tham chiếu đất.
Trang 75
8.3.2. IC IR2112
- IR2112 là một IC chuyên dụng lái cực cửa điều khiển cầu H
Hình 8. 9 - IC IR2112
-Tính năng:
• Nó có thể cung cấp điện áp Cổng từ 10-20 volt.
• Đối với phía cao của mạch H-Bridge, phạm vi hoạt động của hoạt động bootstrap là + 500V hoặc + 600V.
• Tương thích với CMOS và logic TTL
• Bảo vệ điện áp dưới cho các chân / kênh LO và HO
- Chức năng của từng chân IR2112:
1 LO chân đầu ra cho trình điều khiển cổng bên thấp
2 COM đường dẫn trả về cho cấu hình bên thấp
3 VCC chân cấp nguồn cho phía thấp
5 VS đường dẫn trả về dấu phẩy động cho ổ đĩa bên cao
6 VB nguồn nổi cho ổ đĩa bên cao
7 HO tín hiệu đầu ra cho mosfet bên cao
Trang 76
10 HIN đầu vào tín hiệu PWM cho bên cao
11 SD để tắt hệ thống tự động
12 LIN đầu vào tín hiệu PWM cho phía thấp
13 VSS nối đất
Bảng 10 - Chức năng chân IR2112
8.4. GIỚI THIỆU VỀ ENCODER
- Encoder hay cịn gọi là bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiết bị cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tín hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số. Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục.
- Encoder cấu tạo chính gồm:
+ Đĩa quang trịn có rảnh nhỏ quay quanh trục: Trên đĩa được đục lỗ (rãnh), khi đĩa này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa thì sẽ có sự ngắt qng xảy ra. Các rãnh trên đĩa chia vòng tròn 360o thành các góc bằng nhau. Và một đĩa có thể có nhiều dãy rãnh tính từ tâm trịn.
+ Bộ cảm biến thu (photosensor)
+ Nguồn sáng (Light source).
Trang 77
- Nguyên lý hoạt động:
+ Khi đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua (Led). Chỗ có rãnh thì ánh sáng xun qua được, chỗ khơng có rãnh ánh sáng khơng xun qua được. Với các tín hiệu có/khơng người ta ghi nhận đèn Led có chiếu qua hay khơng.
+ Số xung Encoder được quy ước là số lần ánh sáng chiếu qua khe.
Hình 8. 11 - Nguyên lý hoạt động
+ Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục, từ đó:
• Tạo ra các tín hiệu dạng xung vng.
• Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về bộ xử lý trung tâm để đo đạc, xác định vị trí/ tốc độ của động cơ.
- Phân loại encoder:
+ Incremental encoder (Tương đối): Tương ứng đĩa 2bit, cho ngõ ra dạng xung
Trang 78 hiệu xung A và B là phổ biến nhất. Tín hiệu khe Z là tín hiệu để xác định động cơ quay được một vòng.
+ Absolute encoder (Tuyệt đối): Tương ứng đĩa quay 8bit hay 8 dãy rãnh, cho ngõ
ra dạng mã kỹ thuật số(BCD), Binary (nhị phân), Gray code
Hình 8. 12 - Sơ đồ nối dây Encoder
8.5. GIỚI THIỆU CẢM BIẾN DÒNG ĐIỆN ACS712
- Cảm biến dòng điện ACS712 (Hall Effect Current Sensor) dựa trên hiệu ứng Hall để đo dòng điện AC/DC
Trang 79
Hình 8. 13 - Sơ đồ nối dây
- Cách sử dụng:
+ Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, khi dòng điện đi từ Ip+ đến Ip- Vout sẽ ra mức điện áp tương ứng 2.5~5VDC tương ứng dòng 0A~5A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5~0VDC tương ứng với 0A~(-5A).
+ Khi cấp nguồn 5VDC cho module khi chưa có dịng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp) thì Vout = 2.5VDC
Trang 80
Trang 82
8.7. SƠ ĐỒ MƠ PHỎNG
Hình 8. 14 - Arduino và LCD 20×4
Trang 83
Hình 8. 16 - Động cơ và cảm biến dòng
Trang 84
8.8. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT
8.8.1. Kiểm nghiệm code đo tốc độ và dịng điện
Hình 8. 18 - Dịng điện dương, tốc độ dương
Hình 8. 19 - Dịng điện âm, tốc độ âm
Trang 85
8.8.2. Điều khiển tốc độ động cơ
Hình 8. 20 - Tốc độ động cơ tăng theo chiều dương
Trang 86
Hình 8. 22 - Động cơ giảm tốc và tăng tốc theo chiều âm
Trang 87
Hình 8. 24 - Tốc độ động cơ trở về 0
➢ Nhận xét:
- Tốc độ động cơ trải qua lần lượt các giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: tốc độ động cơ ở 0 rpm rồi động cơ tăng tốc dần theo chiều dương
+ Giai đoạn 2: động cơ chạy chạy ổn định ở tốc độ là 200 rpm trong một khoảng thời gian