Điều khiển đo tốc độ động cơ và giao tiếp với máy tính.

Vi điều khiển đang dần dần thay thế con người trong các ứng dụngtrong thực tiễn, và một số ứng dụng thực tiễn của Vi điều khiển như: Điều khiển tốc độđộng cơ, thiết kế bảng led điện tử,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

Hà Nội - Ngày 15 tháng 9 năm 2015.

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu học tập và nghiên cứu các ứng dụng công nghệ Vi điều khiển ngàycàng tăng trưởng mạnh mẽ Các công trình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này đều rấtphong phú, đa dạng Vi điều khiển đang dần dần thay thế con người trong các ứng dụngtrong thực tiễn, và một số ứng dụng thực tiễn của Vi điều khiển như: Điều khiển tốc độđộng cơ, thiết kế bảng led điện tử, đếm sản phẩm, đo và khống chế nhiệt độ…

Với ưu điểm là điều khiển tốc độ động cơ dễ dàng, độ ổn định tốc độ cao nên động cơ mộtchiều đã được sử dụng khá phổ biến như: truyền động cho một số máy như máy nghiền,máy nâng vận chuyển, điều khiển băng tải, điều khiển các robot…

Để điều khiển tốc độ của động cơ một chiều thì có rất nhiều phương pháp, trong đồ án củamình chúng em xin trình bày điều khiển động cơ dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phươngpháp đếm xung (dùng động cơ có sử dụng encoder) Trong đồ án của mình chúng em sửdụng IC 89S52 để lập trình điều khiển động cơ một chiều DC nhỏ hơn 24V, sử dụng ICL298N để tăng công suất

Tuy chúng em đã có nhiều cố gắng song bản báo cáo Điều khiển - đo tốc độ động cơ và giao tiếp với máy tính của chúng em không tránh được những khiếm khuyết, thiếu sót Kính

mong các thầy cô giáo thông cảm và có ý kiến đóng góp giúp chúng em rút kinh nghiệmvà

để bài báo cáo hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Lê Thị Vân Anh đã trực tiếpgiảng dạy và hướng dẫn chúng em hoàn thành bài đồ án này

Hà Nội – 2015 Nhóm SV thực hiện

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Đặt vấn đề.

Trong sản xuất cũng như cuộc sống hàng ngày động cơ một chiều được sử dụng rất rộngrãi Vì vậy vấn đề đặt ra là chúng ta cần phải tìm cách đo và điều khiển tốc độ của động cơđiện một chiều sao cho động cơ hoạt động một cách phù hợp với mục đích sử dụng Ngàynay có nhiều phương pháp đo tốc độ động cơ nhưng vẫn sử dụng hai phương pháp đo phổbiến là:

• Phương pháp dùng encoder

• Phương pháp dùng cảm biến tiệm cận

Phương pháp đo tốc độ động cơ thông dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang hay còngọi là encoder Tín hiệu từng encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần sốthay đôi vào tốc

độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào bộvi xử lý để đếm số xung trongkhoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trịvận tốc của động cơ Đây cũng làphương pháp mà người ta sửdụng để ổn định tốc độ động cơhay điều khiển

nhanh chậm

Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúcnhư công tắc hành trình mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cầnphát hiện Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vậtthể thành tín hiệu điện

Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này: hệ thốngsử dụng dòng điệnxoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng

sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệthống chuyển mạch cộng từ

Trong đồ án này chúng em xin trình bày phương pháp đo và điều khiển tốc độ động cơđiện một chiều sử dụng encoder và vi điều khiển 8051 cụ thể là vi điều khiển AT89S52 củahãng ATMEL sản xuất

Nguyên lý đo tốc độ động cơ :

để đo tốc độ ta dùng phương pháp đếm số xung trong một khoảng thời gian đo (T) Như vậyvới phương pháp này thì ta lựa chọn encorder để biến tốc độ thành một dãy xung có tần số

tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ

Tính toán kết quả đo :

Phương pháp đo là đếm số xung trong một khoảng thời gian đo (T), số xung đếm được trongthời gian đo T là NX

Thời gian Số xung Số vòng

T NX NX/l

1 phút n = ?

n =

Trong đó:

n là tốc độ của động cơ.

l là số vòng/xung

Vi điều khiển AT89S52:

• 4 Kbyte bộ nhớ Flash có thể lập trình lặp vơi 1000 chu kỳ đọc xoá

• Hoạt động tĩnh đầy đủ : Từ 0 HZ đến 24 MHZ

• Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp

• 128x8 bit RAM nội

• 32 đường xuất nhập lập trình được

• Hai timer / counter không bit

• Một port nối tiếp sang cổng có thể lập trình được

• Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chíp

AT89S52 là một dòng trong họ 8051, nó có đầy đủ tính chất cũng như tính năng của họ 8051

2 Sơ lược về họ vi điều khiển 8051.

Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Hình 1.1: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

2.4 Port 3 (P3.0- P3.7)

Mỗi chân trên Port 3 ngoai chớc năng xuất nhập còn có chớc năng riêng, cụ thể như sau :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

2.5 Chân /PSEN ( Program store Enable)

/PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân /OE đểcho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc

mã lệnh Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0) thanh ghi lệnh để đượcgiải mã Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức cao

2.6 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 vi điềukhiển Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373, 74573 chốtbyte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0)

2.7 Chân /EA (External Access)

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

Hình 1.5: Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh

3 Sơ lược về Encoder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay Đĩa quay có thể là bánh xe,

trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc Trong các bài toán đo tốc

độ động cơ, trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịch chuyển của 1 đối tượngthông qua đếm số vòng quay của trục

3.1 Khái niệm

Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc Đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vịtrí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặcbàn máy Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số Encoder được sử dụng làmphần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot Trong máy công cụ điềukhiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vít me đai ốc bi tớibàn máy Vị trí của bàn máy có thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn

3.2 Phân loại

a Encoder tuyệt đối (absolute encoder): sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray

b.Encoder tương đối (incremental encoder): có tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ

• Encoder tương đối kiểu thẳng

• Encoder tương đối kiểu quay

3.3 Chi tiết và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có các lỗ(rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ, đènled không chiếu xuyên qua được Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặtbên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu( photosensor) Với các tín hiệu có hoặc không

có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tínhiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng Đây là nguyên lý rất cơ bản củaencoder Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là làm sao để xác định chính xác hơn vị trícủa đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đóchính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder.

Hình 1.6: Cấu tạo chung encoder

Các bạn thấy trong hình có một đĩa mask, không quay, đó là đĩa cố định Thực ra là để chekhe hẹp ánh sáng đi qua, giúp cho việc đọc encoder được chính xác hơn mà thôi Chúng tôikhông để cập đến đĩa này ở đây Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây chính là vấn đề về độmịn của encoder Có nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng Dưới đây chúng ta sẽ đi vào

cụ thể từng loại encoder

Sơ đồ nguyên lý, kết cấu:

Encoder kiểu tuyệt đối, kết cấu gồm các phần sau: bộ phát ánh sáng(LED phát), đĩa mã hóa(chứa các dải băng mang tín hiệu) và một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộthu thường là photosensor)

Hình 1.7: Nguyên lý và kết cấu

Đĩa mã hóa được chế tạo từ vật liệu trong suốt Người ta chia mặt đĩa thành các góc đềunhau và các đường tròn đồng tâm Các đường tròn đồng tâm và bán kính giới hạn các góchình thành các phân tố diện tích Tập hợp các phân tố diện tích cùng giới hạn bởi hai vòngtròn đồng tâm gọi là dảy băng Số dải băng trên mặt đĩa tùy thuộc khả năng công nghệ, ứngvới một dải băng ta có một đèn LED và một photosenser Trên các dải băng, các diện tíchphân tố có phân tố trong suốt (ánh sáng có thể xuyên qua được) và cũng có phân tố đượcphủ lên một lớp mà ánh sáng không thể chiếu xuyên qua được Sự trong suốt và không trongsuốt đặc trưng đặc tính của các phân tố

Nguyên lý hoạt động:

Ba bộ phận quan trọng nhất cấu thành encoder tuyệt đối là đèn LED, đĩa mã hóa và cácphotosensor Ánh sáng được chiếu từ đèn LED qua đĩa mã hóa đến các photosensor Số đènLED bằng với số dải băng (hay còn gọi là vòng lỗ) trên đĩa mã hóa và cũng bằng với sốphotosensor ( hoặc cũng có thể dùng một đèn LED nhưng công suất của đèn này phải lớn,ánh sáng của nó phải chiếu phủ hết các dải băng trên đĩa mã hóa) Trên encoder, đèn LED,dải băng và photosensor phải sắp xếp nằm trên một đường thẳng Đèn LED và photosensorđược gắn cố định trên vỏ encoder Còn đĩa mã hóa thì quay quanh trục mang các tín hiệu mãhóa nhằm xác định góc quay

Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng là vùng diệntích trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa đến photosensor làm xuất hiện dòng chảy quaphotosensor ( lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 1 trong mã nhị phân) Nếu đốidiện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không đến đượcphotosensor (lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 0 trong mã nhị phân)

Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàntoán học:

Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái Điều đó

có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau Và khiquay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng (góc đo nhỏ nhất trong trườnghợp này là 90 độ)

Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2^n) vòng Thế làm sao để xác định 2^n trạng thái này của đĩa encoder Ở đây, tôi đưa ra ví

dụ với đĩa encoder có 2 vòng lỗ (2 dải băng) Các bạn sẽ thấy rằng, ở vòng trong cùng, cómột rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau Như vậy,chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu ( photosensor )

Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ hở, thì tín hiệunhận được từ con mắt thu sẽ là 1 Và ở vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không có

lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0

Hình 1.8: Đĩa encoder 2 vòng lỗ

Và như vậy, với số 10, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào Cũng

có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng Trong ví dụ trên, nếu đèn LED đọc được 10 thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía trên, bên trái

Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/(2^10) tức làđến 1/1024 vòng Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng (pulse per revolution – ppr)

Sau đây là ví dụ encoder 8 vòng lỗ:

Hình 1.9: Đĩa encoder 8 vòng lỗ

Vậy cách thiết kế encoder như thế nào?

Các bạn luôn chú ý rằng, để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N(đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở trong cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180

độ, nằm trong cùng Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân) sẽ thay đổiliên tục mỗi 1/2^N vòng quay Vì thế chúng ta cần rất nhiều lỗ Nếu đặt ở trong thì khôngthể nào vẽ được vì ở trong bán kính nhỏ hơn Ngoài ra, nếu đặt ở trong thì về kết cấu cơ khí,

nó quá gần trục và quá nhiều lỗ nên sẽ rất yếu Vì hai điểm này, nên bit 0 luôn đặt ở ngoàicùng, và bit N-1 luôn đặt trong cùng như hình trên

Với encoder có 8 vòng lỗ ta sẽ quản lý được 1/2^8 của đĩa (tức là quản lý được 1/256 củađĩa, tương đương với góc 360/256=1,4 độ) Vậy với encoder 8 vòng lỗ này ta sẽ biết đượcgóc quay của đĩa với độ chính sác là 1,4 độ

Encoder tương đối kiểu quay:

Sơ đồ nguyên lý, kết cấu:

Hình 1.10: Đĩa encoder tương đối kiểu quay

Về cơ bản thì encoder tương đối và encoder tuyệt đối đều giống nhau chỉ khác nhau ở đĩa

mã hóa Ở encoder tương đối đĩa mã hóa gồm 1 dải băng tạo xung Trên dải băng này đượcchia ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể được thây bằng vật liệu trongsuốt cho ánh sáng truyền qua) Khi đĩa từ quay qua một lỗ thì photosensor nhận được tínhiệu từ đèn LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm

Chẳng hạn như với đĩa mã hóa gồm 360 lỗ, khi đĩa quay qua 90 lỗ thì photosensor nhậnđược 90 lần tín hiệu do đó biến đếm sẽ tăng lên 90 Từ đó ta biết được đĩa đã quay được mộtgóc là 90 độ Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết một vòng?Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết mộtvòng Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bịsai một xung Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy Ngày hôm nay sai mộtxung, ngày hôm sau sai một xung Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi các bạnmới đếm được 1 vòng

Hình 1.11: Lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quay

Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đãquay của encoder Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngangqua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó Nếu vì một rungđộng nào đó mà chúng ta không thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung và việc điqua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder

Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động encoder tương đối kiểu quay

Encoder tương đối cũng gồm các bộ phận cơ bản là nguồn phát( đèn LED), đĩa quay( đĩa

mã hóa), cảm biến (photosensor) Khi đĩa quay qua một lỗ thì cảm biến trên nhận được tínhiệu lúc đó encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm Cho đến khi cảm biến bên dướinhận được tín hiệu thông qua lỗ định vị thì ta biết được đĩa đã quay song một vòng Giá trịbiến đếm mà encoder nhận được sẽ cho ta biết được góc độ mà đĩa đã quay Ứng với dảibăng có càng nhiều lỗ thì góc đếm nhỏ nhất mà encoder đếm được sẽ càng nhỏ (càng mịn)

Encoder tương đối kiểu thẳng:

Encoder kiểu thẳng cũng có các thành phần cơ bản và nguyên lý hoặc động như encoderkiểu quay nhưng chỉ khác ở chổ đĩa mã hóa là một thước thẳng và dùng để đo kích thướcthẳng Chiều dài Encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳng tương ứng có nghĩa làchiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước Vì vậy Encoder thẳng thường đắt hơn nhiều sovới Encoder dạng quay

3.4 Ứng dụng thực tiễn của encoder:

Trên máy CNC encoder được trang bị để đo và tìm được chính xác vị trí của các trục máycũng như vị trí dao cắt Nhờ đó quá trình gia công được thực hiện chính xác Kết quảencoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra tích cực trên máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiếthay vị trí của dao cắt nhằm sữa chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm

Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang máy để biết được chính xác vị trí củathang máy Đảm bảo được thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vào

Trên các rô bốt công nghiệp encoder không thể thiếu Nó dùng để quản lý các cử động củacác khớp nối, cử động của cánh tay rô bốt để đảm bảo chính sác vị trí của các cử động