đồ án nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều

Động cơ 1 chiều có nhiều ứng dụng trong điều khiển và sản xuất nhất là trong công nghiệp. Trong đó đó đòi hỏi là động cơ phải có nhiều cấp tốc độ có thể tăng giảm dễ dàng. Với sự ra đời và phát triển của vi xử lý thì vấn đề điều khiển động cơ 1 chiều không còn là vấn đề khó khăn nữa. Động cơ có thể điều khiển với nhiều cấp tốc độ khác nhau và điều khiển dừng, đảo chiều , nhanh chậm dễ dàng được. Vi xử lý 8501 là loại dòng vi xử lý khá là thông dụng đã có mặt từ rất lâu và được ứng dụng vào nhiều các thiết bị điều khiển hay tự động hóa. Nên việc điều khiển động cơ 1 chiều với dòng vi xử lý này là 1 phương pháp tối ưu và kinh tế đối với bài toán điều khiển động cơ DC ngày nay. Trên cơ sở những kiến thức đã học từ môn vi xử lý.em đã thực hiện đề tài : nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3

1 1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều: 3

1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 3

1.2.1 Phần tĩnh (stator) 3

1.2.2 Phần quay (rotor) 3

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: 4

1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập 5

1.5 Phương trình đặc tính cơ: 6

1.6 Giới thiệu về động cơ DC 6

CHƯƠNG 2:GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 8051 8

2.1 Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051 8

2.2 Port 0 ( P0.0- P0.7) 8

2.3 Port 1 ( P1.0- P1.7) 9

2.4 Port 2 (P2.0-P2.7) 9

2.5 Port 3 (P3.0- P3.7) 9

2.6 Chân /PSEN ( Program store Enable) 10

2.7 Chân ALE (Address Latch Enable) 10

2.8 Chân /EA (External Access) 10

2.9 RST (Reset), VCC, GND 10

2.10 XTAL1, XTAL2 10

CHƯƠNG 3:PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC 11

3.1.Phương pháp điều chế xung PWM 11

CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH 14

4.2 Chương trình : 15

4.3 Một số hình ảnh trong quá trình làm mạch 19

4.4 linh kiện sử dụng trong mạch 21

4.5.Ứng dụng và phương hướng phát triển 21

1.Ứng dụng 21

2.Phương hướng phát triển 22

KẾT LUẬN 24

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ 1 chiều có nhiều ứng dụng trong điều khiển và sản xuất nhất là trongcông nghiệp Trong đó đó đòi hỏi là động cơ phải có nhiều cấp tốc độ có thể tăng giảm

dễ dàng

Với sự ra đời và phát triển của vi xử lý thì vấn đề điều khiển động cơ 1 chiềukhông còn là vấn đề khó khăn nữa Động cơ có thể điều khiển với nhiều cấp tốc độkhác nhau và điều khiển dừng, đảo chiều , nhanh chậm dễ dàng được

Vi xử lý 8501 là loại dòng vi xử lý khá là thông dụng đã có mặt từ rất lâu vàđược ứng dụng vào nhiều các thiết bị điều khiển hay tự động hóa Nên việc điều khiểnđộng cơ 1 chiều với dòng vi xử lý này là 1 phương pháp tối ưu và kinh tế đối với bàitoán điều khiển động cơ DC ngày nay

Trên cơ sở những kiến thức đã học từ môn vi xử lý.em đã thực hiện đề tài :

nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển động cơ một chiều

Em cám ơn thầy Trần Văn Thoan đã hướng dẫn em làm đề tài này.

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1 1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều:

Như chúng ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điệnhoặc động cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành

cơ năng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện mộtchiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điệnmột chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

1.2.1 Phần tĩnh (stator)

Gồm các phần chính sau:

a Cực từ chính:Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây

quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuậtđiện Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằngdây đồng bọc cách điện

b Cực từ phụ : Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều

c Gông từ:Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm bằngdây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn,trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn đượccách điện với rãnh của lõi thép

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoaychiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện vớinhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vànhgóp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào cácphiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- 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 Trục máy thườnglàm bằng thép Cacbon tốt

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng

có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện

từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có phiếngóp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ cóchiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sứcđiện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còngọi là sức phản điện động.

Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư

mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Hình1.2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ địnhmức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn haynối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ

người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ được tính như sau

Ke = 60p.n a : hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

K

R K

U



.  (4)Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện.Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ

K K

R K

U

e

u e

.    là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiềukích từ độc lập

K

R K

2

) (    = 0   

trong đó: 0 : tốc độ không tải lý tưởng

 : độ sụt tốc độ

1.6 Giới thiệu về động cơ DC

- Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato.Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyênqua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạytrong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theophương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xác hơn, lực điện từ trên

một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ

cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi

than và cổ góp Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổichiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua

- Hình ảnh về động cơ DC

Hình 1.3: Động cơ DC

=> Các thông số của động cơ:

- Điện áp cung cấp cho động cơ DC: 12VDC

- Tốc độ tối đa 1450 vòng/phút

=> Phương pháp điều khiển: Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp cấpvào cho động cơ

CHƯƠNG 2:GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 8051

Họ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4kbyte ROM, hai bộ định thời, một cổngnối tiếp và 4 cổng ra/vào song song và là 1 bộ vi xử lý 8 bit

2.1 Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Hình 2.1: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

2.3 Port 1 ( P1.0- P1.7)

Port 1 có chức năng xuất nhập theo bit và byte Ngoài ra, ba chân P1.5, P1.6,P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, hai chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộTimer 2

Hình 2.3: Sơ đồ chân Port 1

Bit Tên Chức năng

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1

P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

2.6 Chân /PSEN ( Program store Enable)

/PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân/OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài /PSEN sẽ ở mức thấp trongthời gian đọc mã lệnh Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0)thanh ghi lệnh để được giải mã Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN

ở mức cao

2.7 Chân ALE (Address Latch Enable)

ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của viđiều khiển Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373,

74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0)

2.8 Chân /EA (External Access)

Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài viđiều khiển Nếu EA ở mức cao (nối với vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trìnhtrong ROM nội Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND), thì vi điều khiển thi hànhchương trình từ bộ nhớ ngoài

2.9 RST (Reset), VCC, GND

Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lênmức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởiđộng hệ thống

8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp quachân 20 và 40

CHƯƠNG 3:PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Có rất nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều, nhưng trongkhuôn khổ đồ án tích hợp mức 1 này chúng em chỉ đề cập đến phương pháp điều chỉnhtốc độ bằng phương pháp điều chế xung PWM

3.1.Phương pháp điều chế xung PWM.

Để điều khiển tốc độ động cơ DC người ta có thể dùng nhiều phương pháp khácnhau trong đó có một phương pháp hết sức quan trọng và thông dụng là phương phápđiều chế độ rộng xung kích (PWM)

3.1.1.Điều chế PWM là gì ?

Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là phươngpháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sựthay đổi độ rộng của chuỗi xung kích để điều khiển linh kiện đóng ngắt (SCR hayTransistor) dẫn tới thay đổi điện áp ra tải

Đồ thị dạng xung điều chế PWM:

Hình 3.1 Đồ thị dạng xung điều chế PWM

3.1.2.Nguyên lý của PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo phương pháp đóng ngắt nguồn có tải mộtcách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt Phần tử thực hiện nhiệm vụđóng cắt là các van bán dẫn Sơ đồ nguyên lý điều khiển tải dùng PWM:

Hình 3.2 Sơ đồ mạch và sơ đồ xung của điều chế PWMTrên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điềukhiển

* Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp nguồn

Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cungcấp cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần haykhóa

+ Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm

và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

Ta có công thức tính điện áp trung bình trên tải:

=> Ud = Umax.( t1/T) (V)

hay Ud = Umax.D

với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trêntảilà:

+Ud=12.20%=2.4V(vớiD=20%)

+Ud=12.40%=4.8V(VớiD=40%)

+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)

CHƯƠNG IV:THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH

Do yêu cầu của bài toán ứng dụng trên thực tế là khi nhấn nút thì động cơ chuyển tácđộng tương ứng với các chế độ : Stop, thuận , nghịch , tăng , giảm

4.1 Lưu đồ chương trình

Chieu=1;

//Xung0=15;

}if(Nguoc==0){

Chieu=0;

//Xung0=15;

}if(Tang==0){

while(Tang==0);

if(i<5) i=i+1;

}if(Giam==0){

while(Giam==0);

if(i>1) i=i-1;

}if(i==0) Xung0=0;

Sơ đồ khối toàn mạch

Mạch mô phỏng proteus

Sơ đồ mạch boad

Sơ đồ bố trí linh kiện

4.3 Một số hình ảnh trong quá trình làm mạch

Hình 2: Sau khi ngâm bột sắt

Hình 3: hàn mạch

Hình 4: hoàn thiện sản phẩm

4.4 linh ki n s d ng trong m ch ện sử dụng trong mạch ử dụng trong mạch ụng trong mạch ạch

- Điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu tốc độ đã định sẵn.

- Giúp người vận hành thiết bị có thêm một công cụ quan sát trực quan hơn để cóthể nắm tình hình,hạn chế phần nào sợ có kĩ thuật sảy ra→vận hành thiết bị đượctốt hơn

Trong các thiết bị sản xuất,dân dụng cần hoạt động với tốc độ ổn định

2.Phương hướng phát triển

Từ những ứng dụng thực tế đó mà các thiết bị đo tốc độ ngày càng được quan tâmphát triển.có mặt trong hàng loạt các ngành khoa học,trong san xuất công nghiệp vàcuộc sống hàng ngày

KẾT LUẬN

Sau 1 thời gian tìm hiểu và làm bài tập thì bài tập điều khiển động cơ 1 chiều đã đượchoàn thành đúng thời gian quy định Bài tập đã thực hiện được đúng yêu cầu của bài ra: Quay thuận, quay nghịch, tăng tốc, giảm tốc, dừng

Đây chỉ là mô hình và nguyên lý điều khiển động cơ 1 chiều Mạch trên chỉ điều khiểnđược động cơ công suất nhỏ không điều khiển được động cơ công suất lớn Để điềukhiển được động cơ công suất lớn thì cần phải có mạch công suất khác

Một lần nữa xin cám ơn thầy : Trần Văn Thoan đã giúp em thực hiện đề tài này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO