ĐIỀU KHIỂN và ổn ĐỊNH tốc độ ĐỘNG cơ SERVO DUNG 89c52

Việt Nam đang là một nước phát triển và giàu mạnh, để thay đổi nhanh chóng bộ mặt của đất nước Việt Nam như ngày hôm nay thì đã có nhiều đứa con Việt đã âm thầm, học tập, nghiên cứu trên mọi lĩnh vực. Nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành điện tử nói riêng. Thế hệ trẻ của chúng ta không ngừng phấn đấu học hỏi thì chúng ta sẽ sớm thụt lùi và lạc hậu nhanh chóng. Chính vì điều đó đã làm cho trường “CĐ CƠ KHÍ – LUYỆN KIM” đã sớm chủ trương đào tạo theo hình thức sâu rộng, từ thấp đến cao. Để tăng chất lượng học tập thì nhà trường nói chung và khoa điện tử nói riêng đã tạo điều kiện và tổ chức cho sinh viên làm các đồ án. Chính vì làm các đồ án như thế này thì Sinh viên mới nắm bắt được hết những căn bản, từ đó dần nâng cao kiến thức của mình. Vì lẽ đó mà nhóm chúng em đã tham khảo nhiều tài liệu và đi đến quyết định là chọn đề tài: “Thiết kế hệ thông điều khiển và ổn định tốc độ động cơ Servo dùng 89c52”. Ở ĐÂY BAO GỒM CẢ MẠCH MÔ PHỎNG NỮA NHÉ

Việt Nam đang là một nước phát triển và giàu mạnh, để thay đổi nhanh chóng bộ mặt của đất nước Việt Nam như ngày hôm nay thì đã có nhiều đứa con Việt đã âm thầm, học tập, nghiên cứu trên mọi lĩnh vực Nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành điện tử nói riêng

Thế hệ trẻ của chúng ta không ngừng phấn đấu học hỏi thì chúng ta sẽ sớm thụt lùi

và lạc hậu nhanh chóng Chính vì điều đó đã làm cho trường “CĐ CƠ KHÍ – LUYỆN

KIM” đã sớm chủ trương đào tạo theo hình thức sâu rộng, từ thấp đến cao Để tăng chất

lượng học tập thì nhà trường nói chung và khoa điện tử nói riêng đã tạo điều kiện và tổ chức cho sinh viên làm các đồ án Chính vì làm các đồ án như thế này thì Sinh viên mới nắm bắt được hết những căn bản, từ đó dần nâng cao kiến thức của mình Vì lẽ đó mà

nhóm chúng em đã tham khảo nhiều tài liệu và đi đến quyết định là chọn đề tài: “Thiết

kế hệ thông điều khiển và ổn định tốc độ động cơ Servo dùng 89c52”

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN

I/ Nguyên lý hoạt động chung

II/ Sơ đồ khối tổng quát

III/ Giới thiệu các linh kiện trong mạch

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN 89C52

I/ TỔNG QUAN HỌ MSC-52

II/ SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CÁC CHÂN

III/ TỔ CHỨC BỘ NHỚ

IV/ BỘ NHỚ NGOÀI

CHƯƠNG 3: ENCODER SỐ VÀ ĐỘNG CƠ DC

I/ ENCODER SỐ

1.1- Encoder tiếp xúc

1.2- Encoder từ trường

1.3- Encoder quang

II/ ĐỘNG CƠ DC( ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU )

2.1- Giới thiệu về động cơ

2.2- Động cơ một chiều

2.3- Các phương pháp điều khiển động cơ DC

III/ KẾT NỐI ENCODER VỚI ĐỘNG CƠ

3.1- Sơ đồ khối

3.2- Một số chú ý khi kết nối

IV/ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

4.1- Các phương pháp điều chỉnh thường sử dụng

4.2- Phương pháp PWM

4.3- Ưu nhược điểm của phương pháp PWM

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

I/ ĐỘNG CƠ

II/ CẢM BIẾN

III/ MẠCH CÔNG SUẤT

IV/ NGUỒN

V/ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MA TRẬN PHÍM

CHƯƠNG 5: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH I/ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

1.1- Lưu đồ chính

1.2- Lưu đồ nhập tốc độ

II/ CHƯƠNG TRÌNH

CHƯƠNG 1: TÓM TẮT ĐỒ ÁN

I/ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG

- Ta đặt giá trị từ phím bấm vào vi điều khiển

- Vi điều khiển sẽ xử lý và điều khiển tốc độ quay động cơ theo lượng đặt

- Encoder được sử dụng để đo tốc độ quay của động cơ, sau đó

đưa tín hiệu hồi tiếp vè vi điều khiển để so sánh với giá trị đặt để cho ra tín hiệu điều khiển thích hợp

- Khối hiển thị để hiển thị giá trị lương đặt, tốc độ quay của động

 Thứ hai là nguồn dùng để nuôi động cơ hoạt động Ở đây ta dùng động cơ DC 12V nên sử dụng nguồn 12V riêng cho động cơ này

1.2.2 Khối xử lý các giá trị cần nạp cho động cơ:

Là một khối gồm nhiều bộ đếm tín hiệu 4017 (ở trong mạch là 4 bộ) có nhiệm

vụ đếm tín hiệu được phát ra từ Encoder khi Encoder đếm vòng quay của động

cơ để đưa vào khối chốt tín hiệu

2.2.3 Khối điều khiển tốc độ quay của động cơ:

Điện áp cấp từ nguồn sẽ qua C1815 được phân cực sao cho nó đủ để kích Transistor D718 hoạt động Sau khi kích cho D718 hoạt động ở chế độ tuyến tính thì động cơ sẽ thay đổi được tốc độ do sự thay đổi dòng điện từ D718 thông qua biến trở 100k

III/ GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH

3.1 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH:

Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai

C Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoay chiều đi qua, ngăn cản dòng điện một chiều

Khi tụ nạp điện thì tụ sẽ bắt đầu nạp điện từ điện áp là 0V tăng dần đến điện áp UDC theo hàm số mũ đối với thời gian t Điện áp tức thời trên hai đầu tụ của tụ được tính theo công thức:

Uc (t) = UDC(1-e-t/)

Khi tụ xả điện thì điện áp trên tụ từ trị số VDC sẽ giảm dần đến 0V theo hàm số mũ đối với thời gian t Điện áp trên hai đầu tụ khi xả được tình theo công thức:

Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp.Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử

Điện trở của dây dẫn có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn Công thức tính:

R =ℓ/S hoặc R=U/I Trong đó :

S: là tiết diện của dây, m2 hay mm2

ℓ : là chiều dài của dây (m)

yếu là loại Silic Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và dòng ngược tối đa (điện áp đánh thủng) Hai đặc tính này sẽ do nhà sản xuất cho biết

3.2.4 Led đơn :

Led đơn là một dạng của Diode Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt Ở một số chất bán dẫn đặc biệt như (GaAs) khi có dòng điện

đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng) Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có màu khác nhau

Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diode nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao

Phân cực thuận :

VD = 1,4V – 1,8 V(led đỏ)

VD = 2V – 2,5V (led vàng)

VD= 2V – 2,8 V(led xanh lá)

Led thường được dùng trong các mạch trạng thái báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch như báo nguồn, trạng thái thuận hay ngược…

3.2.5 Transistor :

C1815 là Transistor BJT gồm ba miền tạo bởi hai tiếp giáp p–n, trong

hiệu n, gọi là miền thu (collecter) Miền giữa có mật độ tạp chất rất thấp, kí hiệu

p, gọi là miền gốc (base) Ba chân kim loại gắn với ba miền tương ứng với ba cực emitter (E), base (B), collecter (C) của transistor

Đặc tính kỹ thuật của transistor :

-Điện áp giới hạn : có 3 loại :

-Dòng điện giới hạn :

Icmax là dòng điện tối đa ở cực C và Ibmax là dòng điện tối đa ở cực b

Dòng tối đa đưa vào cực B là : 10mA

Dòng tối đa đưa vào cực C là : 100mA

Chức năng của transistor chủ yếu là khuyếch đại tín hiệu và đóng ngắt các mạch điện

-Công suất giới hạn :

Khi có dòng điện qua transisor sẽ sinh ra 1 công suất nhiệt làm nóng transistor, công suất sinh ra được tính theo công thức : PT=IC.VCE

Ký hiệu: transistor loại NPN

3.2.6 Giới thiệu IC 4017:

Đây là một IC chia tần với hệ số chia tần từ 2 tới 10

Hình dáng của IC 4017:

IC 4017 có tổng cộng số chân là 16, trong đó chức năng của từng chân như sau:

khoảng từ 3-15 V

o Chân số 8 là chân nối mass

Ngoài các chân nguồn và mass thì IC 4017 có các chân có chức năng hoạt động rất quan trọng là:

o Chân 15 là chân Master Reset hoạt động tích cực mức thấp có nhiệm vụ làm các ngõ ra sẽ đếm trở lại về vị trí hoạt động ban đầu Cụ thể khi tích cực mức thấp cho chân 15 hoạt động thì các ngõ ra từ 01-09 sẽ trở về mức thấp, còn ngõ ra 05-9 sẽ trở lại mức cao Chân này hoạt động hoàn toàn độc lập với các chân Clock 14 và 13

o Chân 14 là chân xung clock hoạt động tích cực mức cao Chân này có chức năng đưa xung clock từ bên ngoài vào để cấp cho IC hoạt động

o Chân 13 cũng là chân xung clock nhưng hoạt động ở mức thấp Hai chân này có mối liên hệ tương quan như sau: khi ở trạng thái bình thường: chân 14 ở mức cao, chân 13 ở mức thấp thì IC sẽ hoạt động bình thường, các ngõ ra sẽ tuần tự xuất giá trị Trong quá trình các ngõ ra đang hoạt động, ta kích mức cao cho chân 13 thì giá trị nào đang ở mức cao sẽ giữ nguyên trạng thái, các ngõ ra còn lại sẽ ở trạng thái mức thấp hết

o Các chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11 lần lượt sẽ là thứ tự của các giá trị xuất

Bảng sự thật:

1 H = trạng thái mức cao (điện thế dương hơn)

2 L = trạng thái mức thấp (điện thế âm hơn)

3.2.7 IC 7408:

IC 7408 là 1 trong các IC số thông dụng trong các mạch số Hình dáng các chân của IC:

Trong IC này có tổng cộng 4 bộ cổng AND Thứ tự các chân như sau:

o Chân 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13 lần lượt là các ngõ vào của 4 bộ cổng AND theo từng cặp

o Chân 3, 6, 8, 11 thì lần lượt là tất cả ngõ ra của 4 bộ cổng AND đó

o Chân 14 nối nguồn VCC với mức điện áp hoạt động giới hạn cho phép là từ 4,5 V đến 5,5 V Thường thì điện áp trung bình khoảng 5V thì hoạt động tốt nhất Chân 7 nối mass

Bảng sự thật của IC 7408:

Ở đây khi 2 tín hiệu cùng vào ở mức cao thì ngõ ra sẽ tích cực ở mức cao Còn

1 trong các tín hiệu vào là mức thấp thì ngõ ra sẽ tích cực mức thấp bất chấp ngõ còn lại là mức cao hay thấp

Trong mạch này IC 7408 được sử dụng với mục đích là AND những tín hiệu cần

thiết để tạo ra giá trị cần sử dụng

3.2.8 IC 7805:

không cần thiết cho ổn định, có thể dùng tụ 0,1F ở ngõ ra để cải thiện đáp ứng quá độ của ổn áp Các tụ này phải đặt trên hay càng gần các IC

Là 1 thiết bị dùng để đếm số vòng quay của động cơ tạo xung ra làm tín hiệu

xung cấp vào IC 4017 Cấu tạo của Encoder gồm 1 bộ thu phát hồng ngoại và 1

đĩa được xẻ thành các rãnh nhỏ (tùy thuộc vào từng Encoder sẽ có số rãnh chia

hồng ngoại nhận được Sau mỗi lần động cơ quay qua 1 rãnh nhỏ đó thì bộ thu nhận tín hiệu từ bộ phát, tạo ra 1 xung Cứ đủ số rãnh đó thì động cơ sẽ quay đúng 1 vòng Ở mạch này, nhóm em chỉ dùng 1 rãnh nhỏ để tăng số vòng quay cũng như để dễ sử dụng hơn

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VỀ 89C52

I/ Tổng quan về 89c52

Đặc tính chính của 8052:

- CPU 8-bit tối ưu cho các ứng dụng điều khiển

- 256 byte trong bộ nhớ RAM

- 32 đường dữ liệu vào ra( 4 cổng 8 Port)

Chức năng các chân:

- Vcc: chân cấp nguồn cho vi điều khiển

- Port 0 có 2 chức năng:

+ I/O hai chiều

+ Bus địa chỉ( phần địa chỉ thấp), Bus dữ liệu

- Port 1: I/O hai chiều

- Port 2 có 2 chức năng:

+ I/O hai chiều

XTAL2 18

XTAL1 19

ALE 30

EA 31

PSEN 29

RST 9

P1.1/T2EX 2

P1.2 3

P1.3 4

P1.4 5

P1.5 6

P1.6 7

P1.7 8

P3.6(/WR): tín hiệu cho phép ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7(/RD): tín hiệu cho phép đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

- ALE: cho phép chốt địa chỉ

+ Khi truy xuất bộ nhớ ngoài, ALE nối đến mạch chốt

+ Khi chạy bình thường, chân này phát xung có tần số bằng 1/6 tần số xung nhịp Khi truy xuất bộ nhớ ngoài thì xung ALE sẽ mất

- /PASEN: đọc lệnh từ ROM ngoài

- /EA: cho phép 8052 lấy mã lệnh từ bộ nhớ chương trình ngoài Nối /EA với GND để không dùng ROM trong Nối với VCC để dùng ROM trong

- RESET: mức cao đặt vào chân này trong vòng 2 chu kỳ máy thì 8052 sẽ khởi động lại, các thanh ghi bên trong sẽ nạp lại những giá trị thích hợp

- XTAL1 và XTAL2: Bộ dao động được tích hợp bên trong 8052, khi sử dụng chỉ cần nối thêm thạch anh và tụ

III/ TỔ CHỨC BỘ NHỚ

- Bộ nhớ dữ liệu trong: 128 byte RAM với 89c51, 256 byte RAM với

89c52 cộng với vùng các thanh ghi đặc biệt SFR(địa chỉ 8bit)

- Bộ nhớ dữ liệu ngoài: có thể mở rộng tối đa lên đến 64K

- Việc truy xuất bộ nhớ dữ liệu trong hay bộ nhớ dư liệu ngoài được chỉ định bởi lênh: MOV và MOVX.

IV/ BỘ NHỚ NGOÀI

89c52 có khả năng mở rộng bộ nhớ lên đến 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte bộ nhớ dữ liệu ngoài Do đó có thể dùng thêm RAM và ROM nếu cần Khi dùng bộ nhớ ngoài , Port 0 không còn chức năng I/O nữa

CHƯƠNG 3: ENCODER VÀ ĐỘNG CƠ DC

I/ ENCODER SỐ

Mỗi bộ encoder bao gồm một đĩa tròn với các vạch kẻ mẫu ở trên đó Các vạch kẻ mẫu này được đọc bởi những đầu cảm biến Đĩa này thường đi kèm với trục của nó và trục này làm quay những mẫu phát ra tín hiệu cho mỗi vị trí nhận được Có 3 loại Encoder chính: Encoder tiếp xúc, encoder từ trường và encoder quang

Một số loại Encoder

1.1- Encoder tiếp xúc

Điểm tiếp xúc thực tế của loại encoder này là giữa đĩa và đầu đọc thông

qua”chổi than” Loại này có nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn, điện trở và rung động làm giảm độ chính xác và tuổi thọ kém

1.3.1- Encoder tuyệt đối

- Encoder tuyệt đối có 6 đến 20 track, mỗi track tạo ra một bit số nhị phân theo mã

mà nó tạo lên bởi các lỗ trên đĩa mã(mã hóa)

- Số nhị phân được sử dụng cho encoder có thể mã hóa theo các loại mã sau: Mã nhị phân tự nhiên, mã Gray và mã BCD Trong đó mã Gray được dùng nhiều nhất vì

bộ đếm dùng trong mạch xử lý tín hiệu của cảm biến chỉ có một bit thay đổi mỗi lần

số tăng lên một

1.3.2- Encoder gia tăng

Encoder gia tăng tạo ra xung từ một hay nhiều track tập trung trên đĩa mã Xung được tạo ra khi mà tia sáng xuyên qua lỗ trên đĩa mã Encoder có ba track thì sẽ có

ba nguồn sáng và ba cảm biến quang

II/ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

2.1- Giới thiệu động cơ

Một motor điện chuyển đổi năng lương điện thành cơ năng Motor điện đa dang

về kích thước, chủng loại, nhưng tổng quát có hai loại chính là DC motor và AC motor Từ hai loại chính này, biến hóa thành nhiều loại khác nhau để phù hợp với yêu cầu sử dụng đa dạng trong cuộc sống Các loại motor điện xoay chiều được dùng chủ yếu cho các loại máy lớn như: máy công cụ, máy giặt, máy xấy có nguồn cung cấp là một pha hoặc ba pha

2.2- Động cơ một chiều

Động cơ điện một chiều(DC motor) thường được sử dụng rông rãi trong các hệ truyền động cần thay đổi tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định tốc độ cao và các hệ thường xuyên hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều Một số ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền,

+ Phần cảm: tạo ra từ trường một chiều, từ trường một chiều này có thể tạo ra bằng stator loại nam châm vĩnh cửu hay cuộn dâycảm, cuộn kích từ

+Phần ứng: cuộn dây có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường của phần cảm

Ngoài ra còn có cổ góp, chổi than Mỗi chổi than qua cổ góp và cuộn dây phần ứng tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua, dòng điện tạo ra từ trường một chiều trong cuộn dây phần ứng, từ trương này tương tác với từ trường do nam châm tạo ra làm xuất hiện momen xoắn, khi momen này lớn hơn sưc cản cơ học thì động cơ quay

2.3- Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Từ công thức biểu diễn quan hệ tốc độ và momen động cơ, có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng phương pháp sau:

1- Điều khiển điện áp phần ứng

2- Điều khiển từ thông

3- Điều khiển điện trở phần ứng

III/ KẾT NỐI ENCODER VỚI ĐỘNG CƠ

3.1- Sơ đồ khối

3.2- Một số lưu ý khi kết nối

Khi kết nối encoder với động cơ ta cần dùng khớp nối cứng để nối giữa trục của encoder và trục của động cơ nhằm giúp cảm biến và động cơ quay đồng trục với nhau để giảm sai số điều khiển

Khi sử dụng cảm biến encoder cần chú ý đến các thông số kỹ thuật của encoder, dây là vấn đề rất cần thiết để sử dụng encoder đúng với yêu cầu kỹ thuật

Thông số kỹ thuật encoder dùng trong đồ án:

- Điện áp cung cấp cho encoder:

dương hay hoặc là sườn âm

- Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM

Trên là đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM Với độ rộng xung đầu ra tương ứng và được tính bằng % Tùy thích do chúng ta điều khiển

4.2.2- Nguyên lý của PWM

Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn cới tải

và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực hiện nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn

Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn DÙng van đóng cắt bằng Mosfet Giản đồ xung:

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

* Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mỏ toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn

bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

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