Đồ án thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ và đảo chiều quay động cơ điện một chiều, hiển thị tốc tộ trên LCD

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó và sau khi đã học các môn học : Điện tử côngsuất, Truyền động điện, Vi điều khiển và máy điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo m

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Sinh viên thực hiện:

Lớp: Đ-ĐTK10.1

1 Tên đề tài :

“Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ và đảo chiều quay động cơ điện

một chiều, hiển thị tốc độ trên LCD”.

2 Thời gian thực hiện:

- Ngay giao đề tài :

- Ngày hoàn thành :

3 Yêu cầu

4 Nội dung

a Tổng quan về động cơ điện một chiều

b Giới thiệu về bộ xung áp một chiều

c Giới thiệu về vi điều khiển

d Thiết kế mạch lực

e Thiết kế mạch điều khiển và hiệu chỉnh

f Chế tạo mạch

5 Sản phẩm

a Một quyển thuyết minh đề tài

b Các bản vẽ mô tả nội dung và nguyên lý của đề tài

c Mạch điều khiển đã hoạt động tốt

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Phương Thảo

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất, vi điều khiển, truyền động điện đã và đangđóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứngdụng trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần

tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thốngtruyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước,diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như:khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó và sau khi đã học các môn học : Điện tử côngsuất, Truyền động điện, Vi điều khiển và máy điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài:

“Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ và đảo chiều quay động cơ điện

một chiều, hiển thi tốc độ trên LCD”

Với sự hướng dẫn của Cô: Nguyễn Phương Thảo chúng em đã tiến hànhnghiên cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạnnên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tàihoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ BỘ

BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU 4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 20

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu tổng quan về động cơ điện 1 chiều

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặcđộng 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 điệnmột chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải.Động cơ điện một 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 hợ

Hình 1.1- Động cơ điện một chiều

1.1.1 Cấu tạo

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần :

- Stato (phần đứng yên) với các cực từ (bằng Nam châm vĩnh cửu hoặc Nam

- Roto với các cuộn dây quấn, cổ góp cùng chổi điện

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Stato đứng yên và Roto quay quanh so với Stato (phần kích từ thường đặt trênStato ) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây điện chạytrong mạch phần cứng, các thanh dẫn phần cứng sẽ chịu tác đọng của các máchđiện từ theo phương tuyến tính với mặt trụ Roto, làm cho Roto quay Chính xáchơn lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectomật độ từ thông B và vecto cường độ dòng điện I Dòng điện phần ứng được đưavào Roto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp

Cổ góp sẽ giúp cho dòng điền trong mỗi thanh phần cứng được đổi chiều khithanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó đi qua (điều này làm cholực điện từ sinh ra luôn luôn tạo ra một momen theo một chiều nhất định)

Động cơ điện một chiều có một phần rất quan trọng là :

Bộ phận chỉnh lưu nó có nhiệm vụ làm đổi chiều dòng điện của cuộn Rototrong khi chuyển động quay của Roto là liên tục, thông thường bộ phận này là bộphận gồm có các bộ chổi than và bộ cổ góp Đây là nhược điểm chính của động

cơ điện một chiều cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguyhiểm trong môi trường dễ nổ khi sử dụng cần phải có nguồn một chiều hoặc bộchỉnh lưu

Động cơ một chiều sử dụng trong dân dụng thường chỉ hoạt động với điện áp24V trở lại Một trong những phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều là

sử dụng mạch điều chế dộ rộng xung (PWM)

1.2 Giới thiệu về các phương pháp điều chỉnh tốc độ

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện 1 chiều có nhiều ưu điểmhơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độmột cách dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản hơn đồngthời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Từ phương trình tốc độ:

Suy ra có thể điều chỉnh ta có thể điều chỉnh:

- Điều chỉnh

- Điều chỉnh bằng cách thêm vào mạch phần ứng

- Điều chỉnh từ thông Φ của dường d

1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng thêm RP vào phần ứng

Khi thêm vào phần ứng làm cho tăng lên , ω giảm, độ dốc của đườngđặc tính giảm

Các đường (1) và (2) là các đặc tính khi tăng còn đường TN là đặc tính cơ

tự nhiên

TN 1

2

M (N.m)

0 Me

Hình 1.2.1- Đặc tính cơ khi thêm vào mạch phần ứng.

Ưu điêm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục nhưng

do thêm nên có tổn hao và không kinh tế

1.2.2 Điều khiển bằng từ thông

Điều chỉnh từ thông của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện

từ của động cơ M= K.Φ và sức điện động quay của động cơ

Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn của việc thay đổi từ thông Nhưng theo công thức trên khi Φ thay đổi thì moment và dòng điện I cũng thay đổi lên khó tính được chính xác dòng điều khiển và moment tải

1.2.3 Điều khiển điện áp phần ứng

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng điện áp

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ

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

Trong đó người ta hay sử dụng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng củađộng cơ Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ thay đổi theo phươngtrình :

Vì từ thông của động cơ không đổi lên độ dốc của động cơ cũng không đổi.Tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào giá trị của hệ thống , có thể nóiphương pháp điều khiển này rất triệt để và được sử dụng rất nhiều

Đặc tính làm việc

(rad/s)

Nguốn cấp cho mạch xung áp một chiều có thể là nguồn áp hay nguồn dòng.Với nguồn áp thì điện áp và điện trở trong nhỏ để sụt áp bên trong nguồnnhỏ.Với nguồn dòng thì dòng điện không đổi và điện trở trong lớn để sụt dòngđiện bên trong nguồn nhỏ.

a Nguyên lý

Điện áp xoay chiều ba pha qua các bộ chỉnh lưu (hình tia ba pha, cầu bapha ) cho ra điện áp một chiều Us Bộ băm điện áp một chiều cho phép từ nguồnđiện một chiều Us tạo ra điện áp tải Ura cũng là điện áp một chiều nhưng có thểđiều chỉnh được

AC

(3 pha)

Hình 1.3.1-Cấu trúc chung bộ xung áp một chiều

Ura: là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung: Ura = γ Us (γ=t1/T) Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là dùng quy luật đóng mở các van bán dẫn công suất mộtcáchcó chu kỳ để điều chỉnh hệ số γ đảm bảo thay đổi được giá trị điện áp trung bình trên tải

b Cách loại mạch băm xung dùng các van khác nhau

Bộ băm

áp 1 chiều

Bộ chỉnh lưu

Mạch băm xung dùng thyristor (hình a)

Mạch băm xung dùng transistor (hình b)

Mạch băm xung dùng mosfet (hình c)

Mạch băm xung dùng van IGBT (hình d)

Nguyên lý chung của các mạch trên là: Khi có tín hiệu điều khiểnvào thì van dẫn làm cho tải có điện áp ,còn khi không có tín hiệu thì van bị khóa lúc này van không dẫn làm cho tải không có điện áp

1.3.2 Phân loại mạch băm xung điện áp một chiều

a Mạch băm áp một chiều nối tiếp.

Ud =

1

1 0

Trị số điện áp trung bình một chiều được tính như sau:

Nếu coi γ = thì Ud=Ung.γ

 Với tải điện cảm

- Sơ đồ điển hình có dạng:

Hình 1.3.2.a.2- Sơ đồ và dạng sóng điện áp tải điện cảm

Dòng điện được xác định bởi phương trình vi phân: U1 = Rd.i + Ld

Trong đó:

I: dòng điện tải

Rd: điện trở tải

Ld: điện cảm tải

Ibd: dòng điện ban đầu của chu kỳ đang xét (mở hay đóng khóa K);

I XL: dòng điện xác lập của chu kỳ đang xét

Khi khóa K đóng ; khi khóa K mở IXL = 0

i = Ibd + IXL Hằng số thời gian điện tử của mạch: Td =

Độ nhấp nhô được tính:

Từ biểu thức thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ thuộc vào bốn thôngsố: điện áp nguồn cấp (U1); độ rộng xung điện áp (γ); điện cảm tải (Ld) và chu kỳchuyển mạch khóa K (Tck) Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung điện

áp phụ thuộc vào yêu cầu điều khiển điện áp tải, điện cảm tải Ld là thông số củatải Do đó để cải thiện chất lượng dòng điện tải ( giảm nhỏ ∆I) có thể tác độngvào Tck Như vậy, nếu chu kỳ chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạchcàng lớn ) thì biên độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lượng dòng điện 1chiều càng cao Do đố bộ điều khiển này thường được thiết kế với tần số caohàng chục Khz

Hình 1.3.2.a.3- Giản đồ dòng điện điện áp cho hai tần số khác nhau

 Băm áp đảo chiều

- Sơ đồ hình vẽ

chiều

hình vẽ, UAB> 0 Theo chiều chạy ngược, điều khiển T2, T4, dòng điện tải iN có chiều dưới lên như hình vẽ, UAB < 0

Hình 1.3.2.a.5- Dạng sóng băm áp đảo chiều

b Băm áp song song

 Sơ đồ:

Hình 1.3.2.b.1- Sơ đồ băm áp song song

Dòng điện và điện áp được tính tương ứng khi khóa K đóng: is = ; Ud = 0

Hình 1.3.2.c.1-Sơ đồ băm áp kết hợp

Trong trường hợp tải làm việc cả chế độ nhận năng lượng và trả năng lượng,

sơ đồ phối hợp nối tiếp và song song được sử dụng

Khi nhận năng lượng và trả năng lượng từ lưới, điều khiển KN

Khi trả năng lượng về lưới, điều khiển KS

d Ngoài ra còn các loại băm xung khác

 Băm áp tích lũy năng lượng:

• Băm áp tích lũy điện cảm

• Băm áp tích lũy điện dung

 Băm áp tích lũy điện cảm

Khi bộ băm nằm giữa nguồn áp với tải nguồn áp, phần tích lũy năng lượng phải là điện cảm

Hình 1.3.2.d.1- Băm áp tích lũy điện cảm

Hoạt động

Khi T dẫn: iN = iT = iL , iR = iD = 0, UD = -(U+UR),

U = L.di/dt, iL tăng tuyến tính

Khi D dẫn: iN = iT = 0, iL = iR = iD, UD = -(U+UR),

UR = - L.di/dt, iL giảm tuyến tính

Trị số trung bình dòng điện nguồn: IN = γIL

Trị số trung bình dòng tải: IR = (1-γ)IL

Bỏ qua tổn hao ta có: UR.IR = UN.IN hay:

Hình 1.3.2.d.2-Băm áp tích lũy điện dung

Trong khoảng 0→t1 transistor dẫn có dòng điện i chạy qua cuộn dây; diode

Trong khoảng thời gian t1→t2 transistor khóa, cuộn dây xả năng lượng qua tải bằng dong iD Dòng điện này đồng thời nạp cho tụ C.

Khi transistor dẫn lại, tụ xả qua tải để duy trì dòng điện trên tải Coi điện dung của tụ lớn, dòng điện iC qua tải bây giờ gần như không đổi

Ud = E0; UN = E0 - Id

1.3.3 Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra trong mạch băm xung

Có 3 phương pháp điều chỉnh điện áp ra:

a Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T

Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

U = 1. = ε

trong đó: t1

T

ε = là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <ε≤ 1).

b Phương pháp thay đổi độ rỗng xung(xung tần số)

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

S S

tai U t f U

T

t

U = 1 = 1 .

c Phương pháp xung - thời gian

Vừa thay đổi độ rộng xung vừa thay đổi tần số theo nguyên tắc giữ ∆I min.Trongthực tế, phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản

hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm.

 Kết luận:

Mỗi một phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng

- Phương pháp thay đổi độ rộng xung:

Điều chế xung bằng phương pháp lập trình nên có độ chính xác và tối ưu caoTrong thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được sử dụng phổ biến hơn vìđơn giản hơn và không cần các bộ biến tần đi kèm.Phương pháp PWM trongđiều khiển động cơ có thể đáo ứng các yêu cầu như: nhanh, chậm, thuận, nghich

và ổn định tốc độ cho nó Được sử dụng nhiều trong điều khiển động cơ mộtchiều

- Phương pháp xung – tần số:

Cần sử dụng các bộ biến tần để điều khiển , mạch điều khiển phức tạp và giáthành rất cao

- Phương pháp xung – thời gian:

Cũng giống như phương pháp xung-tần số, cũng cần sử dụng các bộ biến tần đểđiều khiển , mạch điều khiển cũng phức tạp , và yêu cầu về kinh tế cao hơn

1.4 Sơ đồ cấu trúc chung

Nguồn

 Khối cách ly : Sử dụng cách ly PC817 dùng để cách ly giữa mạch độnglực và mạch điều khiển

 Khối công suất : Bao gồm IRF540 và rơle dùng để cấp nguồn và đảo chiềucho động cơ

 Encoder: Lắp đặt trên trục hoặc có thể được tichs hợp sẵn bên trong một

số loại động cơ một chiều Cung cấp tín hiệu dưa về vi xử lý để hiển thịtốc độ động cơ

 Hiển thị : Khối LCD có nhiệm vụ hiển thị tốc độ động cơ thông qua vi xử

lý

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN

2.1.Giới thiệu về IC 89s52:

Năm 1980 khi intel tung ra chip 8051, bộ Vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 và là chuẩn công nghệ cho nhiều họ Vi điều khiển được sản xuất sau này

Năm 1980 Intel công bố chíp 8051(80C51), bộ vi điều khiển đầu tiên của họ

vi điều khiển MCS-51bao gồm : 4KB ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuấtnhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ định thời 16 bit

Tiếp theo sau đó là sự ra đời của chip 8052,8053,8055 với nhiều tính năng được cải tiến

Hiện nay Intel không còn cung cấp các loại Vi điều khiển họ MCS-51 nữa, thay vào đó các nhà sản xuất khác như Atmel, Philips/signetics, AMD, Siemens, Matra&Dallas, Semiconductors được cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai cho cácchip của họ MSC-51

Chip Vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Namhiện nay là Vi điều khiển của hãng Atmel.các mã số chip được thay đổi chút ítkhi được Atmel sản xuất Mã số 80 chuyển thành 89, chẳng hạn 80C52 của Intelkhi sản xuất ở Atmel mã số thành 89C52 (Mã số đầy đủ: AT89C52) với tínhnăng chương trình tương tự như nhau Tương tự 8051,8053,8055 có mã số tươngđương ở Atmel là 89C51,89C53,89C55

Sau khoảng thời gian cải tiến và phát triển, hãng Atmel tung ra thị trường dòng Vi điều khiển mang số hiệu 89Sxx với nhiều cải tiến và đặc biệt là có thêm khả năng nạp chương trình theo chế độ nối tiếp rất đơn giản và tiện lợi cho người

Dung lượng RAM Dung lượng ROM Chế độ nạp:

89S51 128 byte 4 Kbyte nối tiếp

89S52 128 byte 8 Kbyte nối tiếp

89S53 128 byte 12 Kbyte nối tiếp

89S55 128 byte 20 Kbyte nối tiếp

 Sơ đồ chân:

Hình 2.1.1-Sơ đồ chân VXL 89C51

* Nhóm chân nguồn:

- VCC: chân 40, điện áp cung cấp 5VDC

- GND: chân 20(hay nối Mass)

* Nhóm chân dao động :

Gồm chân 18 và chân 19 (Chân XTAL1 và XTAL2), cho phép ghép nối thạch anh vào mạch dao động bên trong vi điều khiển, được sử dụng để nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định:

• XTAL 1: Ngõ vào đến mạch khuếch đại dao động đảo và ngõ vào đến mạch tạo xung clock bên trong

• XTAL 2: Ngõ ra từ mạch khuếch đại dao động đảo

Hình 2.1.2- Bộ tạo dao động

* Chân chọn bộ nhớ chương trình: chân 31 (EA/VPP): dùng để xác định chương

trình thực hiện được lấy từ ROM nội hay ROM ngoại:

- Chân 31 nối mass: sử dụng bộ nhớ chương trình bên ngoài vi điều khiển

- Chân 31 nối VCC: sử dụng bộ nhớ chương trình (4Kb) bên trong vi điềukhiển

* RST (Chân RESET): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiếtlập trạng thái ban đầu cho vi điều khiểnHệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trịban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy

* Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN

PSEN ( program store enable) tín hiệu được xuất ra ở chân 29 dùng để truy xuất

bộ nhớ chương trình ngoài Chân này thường được nối với chân OE

(outputenable) của ROM ngoài

* Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát ratín hiệu kích hoạt ở mức thấp và được kích hoạt 2 lần trong một chu kì máy Khithực thi một chương trình ở ROM nội, chân này được duy trì ở mứclogic khôngtích cực (logic 1)

(Không cần kết nối chân này khi không sử dụngđến)

Chân ALE :(chân cho phép chốt địa chỉ-chân 30)

Khi Vi điều khiển truy xuất bộ nhớ từ bên ngoài, port 0 vừa có chức năng là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địachỉ Tín hiệu ở chân ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và các đường dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào Vi điều