điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

Nội dung của đồ án gồm có 4 chương: - Chương 1: TỔNG QUAN HỌ VI ĐIỀU KHIỂN - Chương 2: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU - Chương 3: THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG Với kh

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay đại đa số các lĩnh vực sản xuất, điều khiển, giám sát, đo lường…đềuđược trang bị hệ thống tự động hóa Một trong số vi mạch được sử dụng đó là kỹthuật vi điều khiển Nhờ tính năng ưu việt của bộ vi điều khiển như: khả năng lậptrình phù hợp với thiết kế nhỏ và lớn cũng như giao tiếp với các thiết bị ngoại vi vàmáy tính đã đem lại sự hoàn hảo, độ chính xác và tính mềm dẻo cao thông qua giaotiếp giữa người và máy Vi điều khiển quản lý và điều khiển hoạt động của hệ thốngthông qua phần mềm, nhờ vậy mà ta có thể mở rộng và thay đổi hoạt động một cách

dễ dàng bằng cách thay đổi một số thông số của chương trình

Hệ thống điện tử số sử dụng bộ vi điều khiển và máy tính trong các dâychuyền sản xuất công nghiệp, thực hiện nhiệm vụ điều khiển và giám sát hệ thống.Ngoài ra vi điều khiển cũng có mặt trong các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùngnhư: lò vi ba, lò sưỡi, máy giặt, hệ thống cảnh báo và giám sát của các phương tiệngiao thông… và trong nhiều thiết bị công nghiệp khác

Trong tập đồ án này em xin phép được giới thiệu về phương pháp điều chỉnhtốc độ động cơ một chiều giao tiếp với máy tính sử dụng chip vi điều khiển 8051.Việc định hướng xây đựng đề tài này xuất phát từ nhu cầu thực tế trong đờisống hiện tại Nội dung của đồ án gồm có 4 chương:

- Chương 1: TỔNG QUAN HỌ VI ĐIỀU KHIỂN

- Chương 2: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

- Chương 3: THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG

Với khoảng thời gian có hạn cũng như trình độ kiến thức em còn hạn chế nên

em tin chắc rằng hệ thống này hoạt động chưa được tối ưu và cũng sẻ không tránhkhỏi những thiếu sót Em kính mong Thầy Cô thông cảm, giúp đỡ và chỉ bảo thêmcho em những kinh nghiệm quý báu

Em xin chân thành cảm ơn.!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỌ VI ĐIỀU KHIỂN

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC HỌ VI XỮ LÝ VÀ CÁC HỌ VI ĐIỀU KHIỂN THÔNG DỤNG.

1.1.1 Lịch sử phát triển của bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển.

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử mà đặc trưng là kỹthuật vi xử lý đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa họctính toán, điều khiển và xử lý thông tin Kỹ thuật vi xử lý đóng một vai trò rất quantrọng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnhvực Tin học và Tự động hóa

Năm 1971, hãng Intel đã cho ra đời bộ vi xử lý (microprocessor) đầu tiên trênthế giới tên gọi là Intel-4004, nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết của một công ty kinhdoanh là hãng truyền thông BUSICOM Intel-4004 là kết quả của một ý tưởng quantrọng trong kỹ thuật vi xử lý số Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi đượcchức năng của nó bằng chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo ramột cấu trúc cứng chỉ thực hiện một số chức năng nhất định như trước đây

Sau đó, các bộ vi xử lý mới liên tục được đưa ra thị trường và ngày càng đượcphát triển, hoàn thiện hơn trong các thế hệ sau:

Vào năm 1971, hãng Intel đưa ra bộ vi xử lý 8-bit đầu tiên với tên Intel-8008 Năm 1975, Intel chế tạo bộ vi xử lý 8-bit 8080 và 8085

Cũng vào khoảng thời gian 1975, một loạt các hãng khác trên thế giới cũng đãgiới thiệu các bộ vi xử lý tương tự: 6800 của Motorola với 5000 tranzitor, Signetics

6520, 1801 của RCA, kế đến là 6502 của hãng MOS Technology và Z80 của hãngZilog

Vào năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller) 8748, mộtchip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS-

48 8748 là một vi mạch chứa trên 17000 transistor, bao gồm một CPU, 1K byteEPRAM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8-bit IC này và các

IC khác tiếp theo của họ MCS-48 đã nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệptrong các ứng dụng hướng điều khiển (control-oriented application)

Năm 1978 xuất hiện Intel 8086 là loại bộ xi xử lý 16 bit với 29.000 tranzitor,Motorola 68000 tích hợp 70.000 tranzitor, APX 432 chứa 120.000 tranzitor Bộ vi

xử lý của Hewlet Pakard có khoảng 450.000 tranzitor Từ năm 1974 đến 1984 sốtranzitor tích hợp trong một chip tăng khoảng 100 lần

Năm 1983, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80286 dùng trong các máy vi tinh họ AT(Advanced Technology) 80286 sử dụng I/O 16 bit, 24 đường địa chỉ và không giannhớ địa chỉ thực 16MB Năm 1987, Intel đưa ra bộ vi xử lý 80386 32-bit Năm 1989xuất hiện xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386 với bộ nhớ ẩn

và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động

Năm 1992, xuất hiện Intel 80586 còn gọi là Pentium 64 bit chứa 4 triệu tranzitor

Độ phức tạp, sự gọn nhẹ về kích thước và khả năng của các bộ vi điều khiển

được tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel công bố chip 8051, bộ

vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51 So với 8048, chip 8051 chứatrên 60.000 transistor bao gồm 4K byte ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập,

1 port nối tiếp và 2 bộ định thời 16-bit – một số lượng mạch đáng chú ý trong một

IC đơn

Từ các bộ vi xử lý ban đầu chỉ là các bộ xử lý trung tâm trong một hệ thống,

không thể hoạt động nếu thiếu các bộ phận như RAM, ROM, bo mạch chủ Cáchãng đã phát triển các bộ vi xử lý này lên thành các bộ vi điều khiển để phục vụ cácmục đích riêng biệt, khác nhau trong công nghiệp Một bộ vi điều khiển là một hệ vi

Hình 1.1 Sự phát triển của Vi xủ lí, Vi điều khiển

20042000

19951990198519801975

1970

Số Transistor

10K100K1000K10.000K100.000K

Pentum IV

“ Prescott 125M ”

Pentum IV (42M) Pentum III (9.5M)

Pentum II (7.5M)

80486 (1.2M) 80386 (275K)

8088 (29K)

8080 (6K) 4004

(2.3K)

80286 (134K)

xử lý thật sự được tổ chức trong một chip (trong một vỏ IC) bao gồm một bộ vi xử

lý (microprocessor), bộ nhớ chương trình (ROM), bộ nhớ dữ liệu (RAM), tuy khôngbằng dung lượng RAM ở các máy vi tính nhưng đây không phải là một hạn chế vìcác bộ vi điều khiển được thiết kế cho một mục đích hoàn toàn khác, ngoài ra trênchip còn có bộ xử lý số học-logic (ALU) cùng với các thanh ghi chức năng, cáccổng vào/ra, cơ chế điều khiển ngắt, truyền tin nối tiếp, các bộ định thời Hiện nay,các bộ vi điều khiển được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng được chuẩn hóa để cóthể sử dụng rộng rải trong các ngành công nghiệp, có mặt trong nhiều máy móc,trong các hàng tiêu dùng

1.1.2 Ưu và khuyết điểm của các bộ vi điều khiển.

Các công việc được thực hiện bởi các bộ vi điều khiển thì không mới Điều mới làcác thiết kế hiện thực với ít thành phần hơn so với các thiết kế trước đó Các thiết kếtrước đó đòi hỏi phải vài chục hoặc vài trăm IC để thực hiện nay chỉ cần một ítthành phần trong đó bao bộ vi điều khiển Số thành phần được giảm bớt, hiệu quảtrực tiếp của tính khả lập trình của các bộ vi điều khiển và độ tích hợp cao trongcông nghệ chế tạo vi mạch, thường chuyển thành thời gian phát triển ngắn hơn, giáthành khi sản xuất thấp hơn, công suất tiêu thụ thấp hơn và độ tin cậy cao hơn Vấn đề ở đây là tốc độ Các giải pháp dựa trên bộ vi điều khiển không bao giờnhanh bằng giải pháp dựa trên các thành phần rời rạc Những tình huống đòi hỏiphải đáp ứng thật nhanh đối với các sự kiện (thường chiếm thiểu số trong các ứngdụng) sẽ được quản lý tồi khi dựa vào các bộ vi điều khiển

Tuy nhiên trong vài ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến conngười, các khoảng thời gian trễ tính bằng nsec, µsec hoặc thậm chí msec là khôngquan trọng Việc giảm bớt các thành phần là một điều lợi như đã đề cập, các thaotác trong chương trình điều khiển làm cho thiết kế có thể thay đổi bằng cách thayđổi phần mềm Điều này có ảnh hưởng tối thiểu đến chu kỳ sản xuất Do đó các bộ

vi điều khiển có thể được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng phục vụ con người

Để có thể hiểu rõ hơn về các bộ vi điều khiển, chúng ta sẽ tìm hiểu về một sốcác họ vi điều khiển của một số hãng điện tử điển hình đang được sử dụng rộng rãitrong khoa học kỹ thuật và đời sống

1.2 GIỚI THIỆU VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MCS-51.

1.2.1 Tóm tắt phần cứng:

Họ vi điều khiển MCS-51 được hãng Intel cho ra đời vào năm 1980 với bộ vi

điều khiển đầu tiên của nó là chip 8051

Cấu trúc cơ bản của chip vi điều khiển 8051 được biểu diễn như hình 1.2

Hình 1.3 cho ta sơ đồ chân của chip 8051 Như ta thấy, 32 trong số 40 chân của 8051 có tác dụng xuất/nhập, hình thành 4 port 8-bit Với các thiết kế yêu cầu một mức tối thiểu bộ nhớ ngoài hoặc các thành phần bên ngoài khác, ta có thể sử dụng các port này làm nhiệm vụ xuất/nhập, 8 đường cho mỗi port có thể được xử lý như là một đơn vị giao tiếp với các thiết bị song song như máy in, bộ biến đổi D/A,.v.v… hoặc mỗi đường có thể hoạt động độc lập giao tiếp với một thiết bị đơn bit như chuyển mạch, LED, tranzistor, cuộn dây, động cơ

Hình 1.2- Sơ đồ khối của chip 8051

Port 0.

Port 0 có 2 tác dụng Trong các thiết kế ứng dụng tối thiểu, không có giao tiếp với các thành phần bên ngoài như RAM ngoài, ROM ngoài , port 0 được sử dụng như một cổng xuất/nhập thông thường Khi thiết kế hệ thống mà cần sử dụng bộ nhớ ngoài, port 0 được sử dụng là cổng địa chỉ và dữ liệu đa hợp Port 0 nếu là cổngđịa chỉ thì nó sẽ là phần byte thấp của bus địa chỉ

Port 1.

Port 1 chỉ có một tác dụng là cổng xuất nhập Nó chỉ dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi khi có yêu cầu Không có chức năng nào đặc biệt cho các chân của port 1 Tuy nhiên với các bộ vi điều khiển khác như 8052 thì các chân P1.0 và P1.1 còn được sử dụng làm các đường ngõ vào cho mạch định thời thứ ba

Port 2.

Port 2 có hai tác dụng, hoặc làm nhiệm vụ là cổng xuất nhập, hoặc là phần byte cao của bus địa chỉ 16-bit cho các thiết kế hệ thống cần nhiều hơn 256 byte bộ nhớ ngoài

Port 3.

Port 3 có hai tác dụng, ngoài nhiệm vụ như một cổng xuất nhập thông thường.Khi không hoạt động xuất nhập thì mỗi chân của port 3 đều có một chức năng riêngnhư: Ngắt, phát và thu tín hiệu truyền thông, dùng cho các bộ định thời và ghi đọc

bộ nhớ ngoài

Chân cho phép bộ nhớ ngoài /PSEN - Program Store Enable.

Hình 1.3- Sơ đồ chân 8051 và hình thực tế của một chip cùng họ

Chân này thường được nối với chân cho phép xuất /OE (Output Entable) củaEPRROM (hoặc của ROM) để cho phép đọc các byte lệnh Tín hiệu /PSEN ở lôgic

‘0’ trong suốt thời gian tìm nạp lệnh Các mã nhị phân của chương trình (opcode)được đọc từ EPROM, qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của 8051

để được giải mã Khi thực thi một chương trình trong ROM nội, /PSEN được duytrì ở lôgic không tích cực (logic 1)

Chân cho phép chốt địa chỉ ALE - Address Latch Enable.

Là tín hiệu xuất ra để giải đa hợp bus địa chỉ và bus dữ liệu Trong 1/2 chu kỳđầu bộ nhớ, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của bus địa chỉ 16bit) vào thanh ghi ngoài khi ta sử dụng port 0 làm byte thấp địa chỉ Trong 1/2 chu

kỳ bộ nhớ còn lại port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần

số của mạch dao động bên trong chip vi điều khiển và có thể làm xung clock cho

các phần còn lại của hệ thống (trường hợp ngoại lệ khi thực hiện lệnh MOVX, một

xung ALE (và cả /PSEN) sẽ bị bỏ qua) Chân ALE còn được dùng để nhập xungngõ vào lập trình cho EPROM hoặc Flash ROM trên chip đối với chip có loại ROMnày

Chân truy xuất ngoài /EA - External Address.

Chân này được nối lên 5V khi thực thi chương trình trong RAM nội và đượcnối đất khi thực thi chương trình bộ nhớ ngoài Chú ý đối với các chip không cóRAM nội /EA phải được nối đất Các chip họ 8051 có EPRAM còn nhận chân/ALE làm chân nhận điện áp cấp điện 12V cho việc lập trình (nạp) cho EPRAMnội

Chân RESET (RST).

Dùng để thiết lập lại trạng thái ban đầu của hệ thống hay gọi tắt là reset hệ.thống khi được treo ở mức logic 1 ít nhất 2 chu kỳ máy Các thanh ghi bên trongcủa 8051 được nạp các giá trị thích hợp cho việc khởi động lại hệ thống

Các chân XTAL1 và XTAL2

Mạch dao động bên trong chip 8051 được ghép với thạch anh bên ngoài ở 2chân XTAL1 và XTAL2 Thường tần số là 12MHz và các tụ ổn định có giá trị trongkhoảng 30pF ÷ 33 pF

dữ liệu.

1.2.2.1 Bộ nhớ chương trình (RAM).

Bộ nhớ chương trình lưu giữ chương trình điều khiển chip 8051

Sau khi RESET, CPU bắt đầu thực hiện chương trình từ địa chỉ 0000H Khichương trình lớn quá kích thước bộ nhớ chương trình bên trong chip, chương trìnhnày phải được nạp vào bộ nhớ chương trình ngoài Nếu chương trình nằm trongRAM nội, chân /EA của 8051 phải được treo lên 5V Nếu chương trình ở RAMngoài, chân /EA phải nối đất Việc truy xuất chương trình ở bộ nhớ ngoài phải kếthợp với chân tín hiệu truy xuất bộ nhớ ngoài /PSEN

1.2.2.2 Bộ nhớ dữ liệu (RAM).

8051 có 128 byte RAM ở bên trong chip Chúng được chia làm nhiều vùngkhác nhau: vùng RAM đa mục đích, vùng RAM định địa chỉ bit, các dãy thanh ghi,

và các thanh ghi chức năng đặc biệt Ta hãy xem xét từng vùng RAM cụ thể

- Vùng RAM đa mục đích: Có địa chỉ từ 30H đến 7FH (80 byte) Vùng RAM

này có thể truy xuất bằng cách định địa chỉ trực tiếp hoặc định địa chỉ gián tiếp Nó

có thể dùng để chứa các biến trong chương trình hay dùng để định địa chỉ cho cáccổng ngoại vi tùy theo mục đích của người sử dụng

- Vùng RAM định địa chỉ từng bit : Có 128 bit chứa trong các byte ở địa chỉ

từ 20H đến 2FH và 32 byte chứa các thanh ghi (00H đến 1FH)

- Các dãy thanh ghi từ Bank 0 tới Bank 3: Nằm ở 32 byte thấp nhất của

vùng nhớ dữ liệu Khi RESET hệ thống dãy thanh ghi mặc định là Bank 0 Có thểchọn Bank bởi thanh ghi từ trạng thái chương trình (PSW- Program Status Word)

Các lệnh sử dụng các thanh ghi từ R0 đến R7 là các lệnh ngắn và thực hiện nhanhhơn so với các lệnh tương đương sử dụng kiểu định địa chỉ trực tiếp Các giá trị dữliệu thường được sử dụng nên chứa ở một trong các thanh ghi này.

1.2.2.3Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR- Special Function Register).

Có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt chiếm phần trên của RAM nội có địa chỉ

từ 80H đến FFH Các địa chỉ được định nghĩa trong vùng RAM này gồm các thanhghi điều khiển của 8051, các thanh ghi đệm, và các cổng vào ra

- Thanh ghi từ trạng thái PSW - Program Status Word: Có địa chỉ là

D0H chứa các bit trạng thái có chức năng khác nhau

- Thanh ghi chứa ACC: Có địa chỉ là A0H thường được dùng làm biến nhớ

trung gian trong các phép tính toán số học

- Thanh ghi B: Có địa chỉ là F0H thường được dùng chung với thanh ghi

ACC trong các phép toán nhân chia

- Các cổng giao tiếp song song: Đó là các cổng P0, P1, P2, P3 được định

địa chỉ tương ứng là 80H, 90H, A0H, B0H

- Các thanh ghi phục vụ cho truyền thông nối tiếp: SCON (Serial port CONtrol) và SBUF (Serial data BUFfer): Thanh ghi SCON dùng để thiết lập các

thông số cho việc truyền thông nối tiếp Còn thanh ghi SBUF dùng làm vùng nhớđệm (buffer) cho việc truyền thông

- Thanh ghi PCON - Power CONtrol: Đây là thanh ghi điều khiển nguồn cấp cho 8051 Có thể dùng thanh ghi này để đặt bộ vi điều khiển vào chế độ Power Down hoặc IDE.

- Các thanh ghi điều khiển ngắt :IP (Interrupt Priority) và IO (Interrupt Onable): Thanh ghi IO dùng để cho phép các ngắt hoạt động/không hoạt động Còn thanh ghi IP dùng để xác định mức ưu tiên cho các ngắt của 8051.

- Các thanh ghi điều khiển bộ định thời: Đó là các thanh ghi TMOD, TCON, TH0, TL0, TH1, TL1 Các thanh ghi này được sử dụng để điều khiển bộ

định thời 0 và 1

- Thanh ghi SP - Stack Pointer: Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (stack), SP chứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh stack Nội dung mặc định của SP khi khởi

động là 07H Thao tác cất vào stack đầu tiên sẽ lưu dữ liệu vào vị trí nhớ có địa chỉ

08H vì cơ chế làm việc của chip 8051 là tăng nội dung SP lên 1 trước khi thực hiện

lưu dữ liệu vào ngăn xếp

- Con trỏ dữ liệu DPTR - Data PoinTeR : được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài DPTR là thanh ghi 16 bit gồm 2 phần là DPH và DPL.

1.2.3 Các hoạt động chức năng chính của 8051.

1.2.3.1 Hoạt động định thời.

Các bộ định thời dùng để tạo ra các khoảng thời gian khác nhau, dùng để đếm

sự kiện hoặc dùng để tạo tốc độ baud cho việc truyền thông nối tiếp Trong 8051 cóhai bộ định thời là T0 và T1 Việc lựa chọn chế độ hoạt động cho các Timer nàynhờ vào thanh ghi TMOD Còn việc điều khiển các Timer hoạt động nhờ vào thanh

ghi TCON Có 4 mode hoạt động cho các Timer Mode 0 là chế độ định thời 13-bit,

Mode 1 là chế độ định thời 16-bit, Mode 2 là chế độ định thời tự nạp lại 8-bit, Mode

3 là chế độ định thời chia sẻ và có hoạt động khác nhau cho từng bộ định thời

1.2.3.2 Hoạt động của port nối tiếp.

Chức năng cơ bản của port nối tiếp là chuyển đổi dữ liệu từ song song thànhnối tiếp khi phát và từ nối tiếp thành song song khi thu Dữ liệu được truyền đi hoặcnhận về thông qua bộ đệm dữ liệu nối tiếp SBUF (Serial data BUFfer) Khi truyền

đi, dữ liệu được chuyển từ song song sang nối tiếp thông qua chân TxD Khi thu, dữliệu được chuyển từ nối tiếp sang song song thông qua chân RxD Thanh ghi SBUF

có địa chỉ 99H Việc ghi dữ liệu cho SBUF tức là phát dữ liệu, việc đọc SBUF tứctruy xuất dữ liệu nhận được (thu dữ liệu) Điều khiển port nối tiếp thông qua thanhghi SCON có địa chỉ là 98H, thanh ghi này là thanh ghi định địa chỉ từng bit cho taxác định được các chế độ làm việc của port nối tiếp (thông qua hai bit MS0 &MS1)

1.2.3.3 Hoạt động của ngắt trong 8051.

Có 5 nguyên nhân để tạo ra ngắt trong 8051 Đó là 2 ngắt ngoài, hai ngắt do

bộ định thời và một ngắt do port nối tiếp Khi ta thiết lập trạng thái ban đầu (sau khiRESET), tất cả các ngắt đều bị vô hiệu hoá và sau đó chúng được cho phép riêng rẽbằng phần mềm

Khi chương trình đang thực hiện, nếu có ngắt với ưu tiên cao xuất hiện, trìnhphục vụ ngắt cho ngắt có mức ưu tiên thấp tạm dừng Ta không thể tạm dừng mộtchương trình ngắt có mức ưu tiên cao hơn Khi có 2 ngắt khác nhau xuất hiện đồngthời, ngắt có mực ưu tiên cao sẽ được phục vụ trước Khi 2 ngắt có cùng mức ưu

tiên xuất hiện đồng thời, chuỗi vòng cố định sẽ xác định ngắt nào được phục vụtrước Chuỗi vòng này sẽ là ngắt ngoài 0, ngắt ngoài 1, ngắt do bộ định thời 0, ngắt

do bộ định thời 1, ngắt do port nối tiếp, ngắt do bộ định thời 2 (đối với 8052) Khi một ngắt được chấp nhận, giá trị được nạp cho bộ đếm chương trình được

gọi là véc tơ ngắt Véc tơ ngắt là địa chỉ bắt đầu của trình phục vụ ngắt của các ngắt tương ứng Các véc tơ ngắt được cho ở bảng sau:

1.2.3.4 Hoạt động RESET của 8051.

8051 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao tối thiểu hai chu kỳ máy

và sau đó chuyển về mức thấp Trạng thái của tất cả các thanh ghi sau khi reset hệ thống như sau :

Bảng 1.2- Giá trị của các thanh ghi sau khi

Bảng 1.1- Các vectơ ngắt của 8051

SP 07H SBUF 00H

Port 0 đến port 3 FFH PCON ( CMOS) 0xxx0000B

Khi reset hệ thống thanh ghi PC được nạp địa chỉ 0000H, khi đó chương trình

sẽ bắt đầu từ địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ chương trình Nội dung của RAM trên

chip không bị ảnh hưởng khi ta reset hệ thống.

1.2.4 Một số đặt tính kỹ thuật của vi điều khiển AT89S8252.

Đây là chíp được chọn làm vi điều khiển trung tâm cho bộ điều khiển, là mộttrong những sản phẩm mới của hãng ATMEL thuộc họ vi điều khiển 8051 Vì vậyAT89S8252 đầy đủ c ác tính năng của dòng 8051 ngoài ra thì nó còn có những đặttính kỹ thuật sau:

- Có 8KB Flash ROM, 2KB EEPROM

- Nạp dữ liệu cho chip bằng cổng ISP, không cần mạch nạp riêng bên ngoài

Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được xem là một loạimáy quan trọng Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát hay dùng trong nhữngđiều kiện làm việc khác.

Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy máy đượcdùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độnhư cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải

Tuy vậy máy điện một chiều cũng có những nhược điểm của nó như: So vớimáy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn, sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo

và bảo quản cổ góp phức tạp Nhưng do những ưu điểm của nó nên máy điện một

chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay vào khoảng 10.000 kW,điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V Hướng phát triển hiện nay là cải tiếntính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo nhũng máy côngsuất lớn hơn

2.1 CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU.

Hình 2.1 Cấu tạo của máy điện một chiều.

điện hay thép cácbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong máy diện nhỏ cóthể làm bằng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông

Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên cáccực từ Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau

2.1.1.2 Cực từ phụ.

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõithép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờnhững bulông

Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy trongmáy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại, Trong máy điện lớnthường dùng thép đúc Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

2.1.1.4 Các bộ phận khác

Các bộ phận khác gồm có :

-Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây

quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện nhỏ và vừa, nắpmáy còn có tác dụng làm giá đở ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làmbằng gang

-Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than

gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộpchổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thểquay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ Sau khi điều chỉnh xong thìdùng vít cố định chặt lại

giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để saukhi ép lại thì đặt dây quấn vào

2.1.2.2 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua.Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điệnnhỏ (công suất dưới vài kW ) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điệnvừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩnthận với rảnh của lõi thép

2.1.2.3 Cổ góp

Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều ) dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành dòng điện một chiều

2.1.2.4 Các bộ phận khá

-Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy

-Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt và ổ bi Truc máy

thường làm bằng thép cacbon tốt

2.1.3 Các trị số định mức.

Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc trongnhững điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định Chế độ đó đươc đặc trưng bằngnhững đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức Trên nhãnmáy thường ghi những đại lượng sau :

Công suất định mức Pđm (KW hay W);

2.2.1 Khái niêm chung

Đặc tính cơ của động cơ là quan hệ giữa tốc độ và moment của động cơ :

ω = f (M) hoặc n = f (M)

Đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược,

Ví dụ : ω = f (M) hay M = f(ω ).

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặctính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trongmạch động cơ : ω = f (I) hay n = f (I)

Trong các biểu thức trên :

Việc chọn các đại lượng cơ bản là tuỳ ý, sao cho các biểu thức tính toán là đơngiản thuận tiện như:

Tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ hỗn hợp là tốc độkhông tải lý tưởng ωo, với động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ là tốc độđồng bộ ω1, còn với động cơ kích từ nối tiếp tốc độ cơ bản là ωdm

Khi nguồn điện một chiều có công suấtvô cùng lớn và điện áp không đổi thìmạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi

là động cơ kích từ song song (H2-1)

E

Hình 2.2 Sơ đồ nối dây của

động cơ kích tù song song

I kt

C kt

U ư

R f

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng

và mạch kích từ được mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau (H 2-1), lúcnày động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.2.2.1 Phương trình đặc tính cơ

Theo sơ đồ H2-2 và H2-3, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạchphần ứng như sau:

Uư = Eư +(Rư +Rf ).Iư , (2-1)Trong đó :

rct : điện trở tiếp xúc của chổi than

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức :

p : số đôi cực từ chính ,

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng ,

a : số đôi mạch nhánh song song ,

2π : hệ số cấu tạo của động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

Biểu thức (2-4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác moment điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi :

f

M K

R R K

U

2)

+

−Φ

­

­

(2-6)Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì moment cơ trên trục động cơbằng moment điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là Mđt = Mcơ = M

+

−Φ

­

­

(2-7)Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông φ = const, thì các phương trình

đặc tính cơ điện (2-4) và phương trình đặc tính cơ (2-7) là tuyến tính Đồ thị củachúng được biểu diễn trên hình H2-4 và H2-5 là những đường thẳng

Hình 2.4 Đặc tính cơ điện của động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

Theo các đồ thị trên , khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có :

U

ω

= Φ

K

­

, (2-8)

ωo dược gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Còn khi ω =0 ta có :

f

I R R

U = +

­ , (2-9)

Và M = KΦInm = Mnm , (2-10)

Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và moment ngắn mạch

Mặt khác, phương trình đặc tính (2-4), (2-7) cũng có thể được viết ở dạng :

Φ

−

K

RI U

K

­

, (2- 11)

Φ

−

K

RM U

2 ) ( K

­

, (2-12)

Trong đó : R = Rư +Rf , ω = KΦ

­

U

,

∆ω = K RΦI­ = (K RΦ)2 M ,

ω

∆ được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối , với điều kiện từ thông là định mức (Φ=Φđm ),

Trong đó : ω =

o

ω

ω

, I =

dm

I

I

, M = M dm

M

, R =

cb

R

R

,

được gọi là điện trở cơ bản )

Từ (2-4) và (2-7) , ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối :

ω = 1- R I , (2-13)

ω = 1- R M , (2-14)

2.2.2.2 Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ (2-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặctính cơ : Từ thông Φ , điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ Ta lầnlượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó

-Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thiết Uư = Uđm =const và Φ = Φđm = const

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạchphần ứng

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng là :

K M

- Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Giả thiét từ thông Φ = Φđm = const, điện trở phần ứng Rư = const Khi thayđổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm , ta có :

Tốc độ không tải : =var

Φ

=

dm

x ox

Hình 2.7 Các đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng

- Ảnh hưởng của từ thông.

Giả thiết điện áp của phần ứng Uư =Uđm = const Điện trở phần ứng Rư = const.Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt của động cơ

Trong trường hợp này :

- Tốc độ không tải : ωox = =var

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông :

Hình 2.8 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi giảm từ thông

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểudiễn trên H2-8a,b

Với dạng moment phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thìkhi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (xem hình H2-8b)

2.2.2.3 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra moment quay ngược chiều với tốc độquay Trong tất cả các trạng thái hãm, động cơ điện làm việc ở chế độ máy phát.Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh,hãm ngược và hãm động năng

- Hãm tái sinh ( hãm trả năng lượng về lưới )

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lýtưởng Khi hãm tái sinh Eư > Uư, động cơ làm việc như một máy phát điện songsong với lưới So với với chế đọ động cơ, dòng điện và moment hãm đã đổi chiều

và được xác định theo biểu thức :

0

<

Φ

−Φ

E U

h

ωω

I

E I

- Hãm ngược

Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng củađộng năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do moment thế năng quayngược chiều với moment điện từ của động cơ Moment sinh ra bởi động cơ, khi đóchống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

Ngoài hai cách hãm trên còn có hãm động năng

2.3 CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.3.1 Khái niện chung

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễdàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạtchất lượng điều chỉnh cao trong giải điều chỉnh tốc độ rộng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện mộtchiều

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phàn ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện mộtchiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứngđộng cơ hoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốnloại bộ biến đổi chính :

- Bộ biến đổi máy điện gồm :Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặcmáy điện khuếch đại (MĐKĐ)

- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Thyristor (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều : Thyristor hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như :

- Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ).

- Hệ truyền động máy điện khếch đại -động cơ (MĐKĐ-Đ)

- Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ (T-Đ)

- Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơđiện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tựđộng ) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở” ) Hệ điều chỉnh

tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao

và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn đượcphân loai theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thờituỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở gócphần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư

Trong phạm vi mục này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũngnhư tính chất riêng của hệ T-Đ

2.3.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồnnhư máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển vv Cácthiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng nguồn điện xoay chiều thành mộtchiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Và nguồn

có công suất hữu hạn so vói động cơ, nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb

E

dm

b dm

R ư đ

Đ

E b (uđk )

E ư I

a )

Hình 2.10 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở

chế độ xác lập

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũngkhông đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển

Uđk của hệ thống , do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bịchặn bởi đặc tính cơ cơ bản , là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từthông cũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của giải điều chỉnh bị giớihạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về moment khởi động Khi moment tải là địnhmức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là :

βω

1)

D =

1

1/

)1(

max max

dm M

dm o

K

M M

K

ββ

ω

, (2-21)

Một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ωomax, Mđm, MM là xác định, vì vậy phạm

vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β Khi điều chỉnh điện

áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phầnứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể sơ bộ được :

ωomax β / Mdm ≤ 10

Vì thế với tải có đặc tính moment không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc

độ cũng không vượt quá 10 Đối với các máy có yêu cầu cao về giải điều chỉnh và

độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên làkhông thoả mãn được

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyềnđộng một chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì

độ cứng các đặc tính cơ trong toàn giải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốctương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của giải điều chỉnh hay nóicách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của giải điều chỉnh mà sai số tốc độ khôngvượt quá giá trị sai số cho phép trong toàn bộ giải điều chỉnh Sai số tương đối củatốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

min min

min min

o o

o

s

ω

ω ω

ω

min

cp o

Vì các giá trị Mđm, ωomin, scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểucủa độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép Để làm việcnày, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòngkín

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữnguyên, do đó moment tải cho phép của hệ sẽ là không đổi :

Mc.cp = KΦđmIđm = Mđm

Pham vi điều chỉnh tốc độ và moment nằm trong hình chử nhật bao bởi cácđường thẳng ω = ωđ, M = Mđm và các trục toạ độ Tổn hao năng lượng chính là tổnhao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ

ωη

K

MR R

I E I

E I

+

=+

+

=ω

ω

η­ , (2-23)

Hình 2.12 Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ

với các loại tải khác nhau.

Hình 2.12 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trườnghợp đặc tính tải khác nhau Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

là rất thích hợp trong các trường hợp moment tải là hằng số trong toàn giải điềuchỉnh Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì nhưvậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ

2.3.3 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = KΦIư và sức điện động quay của động cơ Eư = K

Φω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thôngcũng là hệ phi tuyến

dt

d r

r

e

k b

k k

φ ω

+ +

= , (2-24)

Trong đó :

rk - điện trở dây quấn kích từ

rb - điện trở của nguồn điện áp kích từ

ωk - số vòng dây của dây quấn kích từ Trong chế độ xác lập ta có quan hệ

k b

k k

r r

e i

+

= ; Φ= f[ ik] Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằnggiá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính

là đặc tính cơ điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặctính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ)

Đại Học Đông Á - 30 - Khoa: Điện

Tốc độ lớn nhất của giải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyểnmạch của cổ góp điện Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồngthời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiệnchuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả

là moment cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh Ngay cả khi giữ nguyêndòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thôngkích thích :

k k b

r r

C i

2.3.4 Truyền động TYRISTOR – động cơ điện một (T-Đ) có đảo chiều quay.

Do chỉnh lưu Thyristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi

mở, còn khó theo điện áp lưới cho nên truyền động vẫn thực hiện đảo chiều khó

khăn và phức tạp hơn truyền động máy phát - động cơ Còn cấu trúc mạch lực cũngnhư cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động T-Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao

và có logic điều khiển chặt chẽ

Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều :

- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ

- Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng phàn ứng

Trong thực tế, các sơ đồ truyền động T-Đ đảo chiều có nhiều song đều thựchiện theo một trong hai nguyên tắc trên và được phân ra làm năm loại sơ đồ chính:

Hình a : Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều

quay bằng cách đảo chiều dòng kích từ

Hình b : Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều

quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi)

Hình c : Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng Hình d : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển

Hình a : Dùng cho công suất lớn rất ít đảo chiều

Hình b : Dùng cho công suât nhỏ , tần số đảo chiều thấp

Hình c : Dùng cho mọi giải công suất có tần số đảo chiều lớn

Hình d và e : Dùng cho giải công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao, so

với ba loại trên thì nó thực hiện đảo chiều êm hơn nhưng lại có kích thước cồngkềnh

Nhận xét chung :

Ưu điểm nổi bật của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tựđộng hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao , điều đó rấtthuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nângcao chất lượng các đặc tính tính tĩnhvà các đặc tính động của hệ thống

Nhược điểm của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện ápchỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, và ở cáctruyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoaychiều Hệ số công suất cos ϕ của hệ nói chung là thấp

2.4 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU (ĐM).

Hệ thống mô tả động cơ điện một chiều thường la phi tuyến, trong đó các đạilượng đầu vào (tín hiệu điền khiển) thường là điện áp phần ứng U điện áp kích từUkt, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điệnphần ứng I, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của rôto ϕ Mômen tải Mc là

ω

M E

Hình 2.15a Giản đồ thay thế động

mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải là nhiều loạn quantrọng nhất của hệ truyền động điện tự động

2.4.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ

sẽ có dòng điện Ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông φ Tiếp đó đặt một giá

trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạyqua Tương tác giữa dòng điện phần úng và từ thông kích từ tạo thành moment điện

từ, giá trị của moment điện từ được tính như sau :

I k I a

N p

2

'

φ φ

2π

= : hệ số kết cấu của máy Moment điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứngquét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động :

ωφωφ

π . . . .2

'

k a

N p

E = = , (2-26)Trong đó ω : tốc độ góc của rotor

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện

Với các phương trình (2-25) và (2-26) có thể vẽ được họ đặc tính cơ M( ) củađộng cơ một chiều từ thông không đổi (hình 2-14b)

2.4.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

2.4.2.1 Mô tả chung

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phươngtrình mô tả sơ đồ thay thế hình (2-15a) như sau :

Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông Φlà phụ thuộc phituyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt :

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều

Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ mộtchiều như hình (2-16) Thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tínhtoán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc : Trướchết chọn điểm làm việc ổn định và tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tínhmoment tải như hình (2-17)

Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính cơ moment tải tương ứng là : (bỏ quahiện tượng từ trễ )

ko

k k

k o

Tại điểm làm việc xác lập có: Điện áp phần ứng Uo, dòng điện phần ứng Io, tốc

độ quay ωB, điện áp kích từ Uko và moment tải MCB Biến thiên nhỏ của các đạilượng trên tương ứng là : U(p), I(p), ω (p), Uk(p), Ik(p), Φ(p), và

Phương trình chuyển động cơ học :

2.4.2.2 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi.

Khi dòng điện kích từ của động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kíchthích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số :

KΦ = const = Cu

Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 2-19

Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn hình 2 - 20 , trong

đó đặt :

Hệ số khuếch đại động cơ : Kđ =1/Cu ,

Hằng số thời gian cơ học : T c R2 j

u

­C

)()

()

++

+

=

p T p T T

C

p M R

pT p U P I

c c

u

c c

­

­ , (2-40)

Từ biểu thức (2-40) ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn :

2.5.THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ LÀM MÔ HÌNH

Sử dụng động cơ một chi ều kích từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu Dohãng HITACHI sản suất, có các thông số :

- Điện áp đinh mức Uđm = 30VDC

- Dòng điện định mức Iđm = 2A

-Công suất đ ịnh mức Pđm = 42 W

CHƯƠNG III THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ MỘT CHIỀU

a )

1

2 +T p+

p T T

K

c c

d

­

1

) 1 (

2

2

+ +

+

p T p T T

T R

c c

­

­ u

p R T

c c c

K

c c d

­

Hình 2.20 Các sơ đồ câu trúc thu gọn

a ) Theo tốc độ b ) Theo dòng điện

3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG:

Phần cứng gồm hai khối chính :

+ Khối điều kiển : kít điều kiển

+ Khối công suất : Nguồn , cầu H , và động cơ

3.1.1 Khối điều kiển

- Nguồn 5V , IC , cổng com RS-232, hiển thị led 7 đoạn ,ADC, nút nhấn

Động cơ

Nguồn 24VDC

Cầu H

Máy tính

Kít điều khiển : P89V51R X2

Cách ly

RS23 2

Nguồn điều khiển