Đề tài Thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÀI TẬP LỚN Môn: Vi xử lý, vi điều khiển Đề bài: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều GVHD: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng ThS. Hoàng Văn Mạnh Nhóm sinh viên: Nhóm 18 Lớp: K57M Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa Hà Nội, ngày 21/11/2015 Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 1 Lời mở đầu Nước ta đang đang trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa, đổi mới phát triền toàn diện. Phục vụ cho công cuộc đổi mới này đó là các máy móc hiện đại được điều khiển vô cùng phức tạp; nhưng cũng vì thế mà làm giảm được tối đa sự góp mặt của con người vào các quá trình sản xuất đó. Tự động hóa phát triển kéo theo những công nghệ điều khiển tiên tiến cũng phát triển và đóng góp vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất. Có thể kể đến đó là những rô bốt công nghiệp, tay máy hay các dây chuyền tự động được lập trình sẵn đó là những quá trình lớn. Ở trong một phạm vi nhỏ hơn, việc điều khiển được thực hiện một cách dễ dàng với những vi xử lý hoặc những vi điều khiển được lập trình sẵn cũng góp mặt vô cùng nhiều trong các ứng dụng thực tế trong cuộc sống. Trong các ứng dụng liên quan đến truyền động, một thành phần gần như không thể thiếu đó là các động cơ điện, nó có tác dụng gây ra các lực làm các cơ cấu chấp hành hoạt động. Động cơ điện có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, nhất là trong sản xuất công nghiệp. Việc điều khiển được tốc độ cũng như chiều quay của nó cũng là một vấn đề cần giải quyết. Kết hợp với vi điều khiển, việc điều khiển động cơ trở lên dễ dàng hơn rất nhiều. Xuất phát từ yêu cầu đó, nhóm chúng em đã nghiên cứu và làm một bài tập về điều khiển động cơ điện một chiều đó là “thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều” với yêu cầu là điều khiển quay nhanh, quay chậm, quay thuận, quay ngược và dừng. Vận dụng các kiến thức được học trong trường nhóm đã thực hiện trên vi điều khiển ATmega16 nhằm nắm được cơ bản về vi điều khiển này, cách đọc, viết, cách nhận biết các chân của vi điều khiển và vận dụng vào thực tế. Các thành viên nhóm: - Phạm Trần Hoàng - Vũ Đình Ngọc - Nguyễn Viết Bình Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 2 Mục lục Phần I. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................... 3 I. Vi điều khiển ATmega16 ............................................................................ 3 1. Cấu trúc nhân ........................................................................................... 4 2. Sơ đồ khối ................................................................................................. 6 3. Ý nghĩa các chân ...................................................................................... 7 4. Bộ định thời ............................................................................................. 7 II. Động cơ điện một chiều ............................................................................ 10 1. Cấu tạo .................................................................................................... 10 2. Nguyên lý làm việc .................................................................................. 10 3. Phân loại ................................................................................................. 11 III. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều ......................... 11 1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều ............................... 11 2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ............................................. 12 Phần II. Nội dung .................................................................................................. 18 I. Thiết kế và thi công phần cứng ................................................................ 18 1. Sơ đồ khối ............................................................................................... 18 2. Sơ đồ nguyên lý và mạch in .................................................................... 18 3. Mô phỏng trên Proteus ........................................................................... 21 4. Hình ảnh mạch thực tế. .......................................................................... 22 II. Viết code cho vi điều khiển. ...................................................................... 23 Phần III. Kết luận ................................................................................................. 26 Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 3 Phần I. Cơ sở lý thuyết I. Vi điều khiển ATmega16 ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz. Ngoài ra ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit, ... ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, Hình 1. Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16. Hình 2. Sơ đồ chân của ATmega16 Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 4 1. Cấu trúc nhân CPU của Atmega16 có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác các chương trình. Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt. - Cấu trúc tổng quát AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock. Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash. Hình 3. Cấu trúc tổng quát Atmega16 - ALU ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung. Các phép toán được thực hiện trong một chu kỳ xung clock. Hoạt động của ALU được chia làm 3 loại: đại số, logic và theo bit. - Thanh ghi trạng thái Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính số học và logic. Hình 4. Thanh ghi trạng thái Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 5 Trong đó: + C: Carry Flag: cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập). + Z: Zero Flag: Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0). + N: Negative Flag: (Nếu kết quả của phép toán là âm). + V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này được thiết lập khi tràn số bù 2) + H: Half Carry Flag + T: Transfer bit used by BLD and BST instructions: (Được sử dụng làm nơi chung gian trong các lệnh BLD,BST). + I: Global Interrupt Enable/Disable Flag: (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt. Nếu bit này ở trạng thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ.) - Các thanh ghi chức năng chung Hình 5: Các thanh ghi chức năng chung - Con trỏ ngăn xếp (SP) Là một thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh ghi chức năng đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E (trong bộ nhớ RAM là $5E) và có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn xếp. Hình 6: Thanh ghi con trỏ ngăn xếp - Quản lý ngắt Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 6 Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng sẵn sàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ: khi bộ truyền nhận UART nhận được một byte nó sẽ báo cho CPU biết thông qua cờ RXC, hoặc khi nó đã truyền được một byte thì cờ TX được thiết lập Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiên chương trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau đó trỏ tới vector phuc vụ ngắt và thức hiện chương trình phục vụ ngắt đó chơ tới khi gặp lệnh RETI (return from interrup) thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục thực hiện chương trình mà trước khi có ngăt nó đang thực hiện. Trong trường hợp mà có nhiều ngắt yêu cầu cùng một lúc thì CPU sẽ lưu các cờ báo ngắt đó lại và thực hiện lần lượt các ngắt theo mức ưu tiên. Trong khi đang thực hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới thì sẽ xảy ra hai trường hợp. Trường hợp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ được phục vụ. Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua. Bộ nhớ ngăn xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên. Để truy nhập vào SRAM thông thường thì ta dùng con trỏ X, Y, Z và để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP. Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và được truy nhập như hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ: SPL: 0x3D/0x5D(IO/SRAM) và SPH:0x3E/0x5E. Khi chương trình phục vụ ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí.Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực hiện lệnh PUSH. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Như vậy con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lớn hơn 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi. 2. Sơ đồ khối: Hình 7: Sơ đồ khối Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 7 3. Ý nghĩa các chân + ChânVCC: Chân số 10 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển. Nguồn điện cấp trong khoảng +5V ± 0,5. + Chân GND: Chân số11 và chân số 31 nối GND(hay nối Mass). Khi thiết kế cần sử dụng một mạch ổn áp để bảo vệ cho Vi điều khiển, cách đơn giản là sử dụng IC ổn áp 7805. + Port A (PA): Port A gồm 8 chân (từ chân 33 đến 40) có chức năng: đầu vào cho chuyển đổi ADC + Port B (PB): Port PB gồm 8 chân (từ chân 1 đến chân 8), ngoài có chức năng làm các đường xuất/nhập thì còn có nhiều chức năng phụ khác. + Port C (PC): Port C gồm 8 chân (từ chân 22 đến chân 29) : Nếu giao tiếp JTAG được kích hoạt điện trở trên các PC5(TDI), PC3 (TMS) ,PC2 (TCK) sẽ được kích hoạt ngay cả khi khởi động lại (reset) + Port D (PD): Port D gồm 8 chân (từ chân 14 đến 21):chưc năng xuất nhập + Chân RESET(RST): Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho vi điều khiển. Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy. + Chân XTAL1 và XTAL2: Hai chân này có vị trí chân là 12 và 13 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. + Chân AVCC: Nguồn cấp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC , chân này nên được nối với nguồn cấp VCC bên ngoài , ngay cả khi bộ chuyển đổi ADC không được sử dụng. Nếu bộ chuyển đổi ADC không được sử dụng , chân AVCC nên được nối với nguồn qua bộ lọc. + Chân AREF: AREF là chân chuẩn analog cho bộ chuyển đổi ADC. 4. Bộ định thời Bộ định thời (timer/counter) là một module định thời/đếm 8 bit, có các đặc điểm sau: + Bộ đếm một kênh + Xóa bộ định thời khi trong mode so sánh + PWM + Tạo tần số + Bộ đếm sự kiện ngoài + Bộ chia tần 10 bit + Nguồn ngắt tràn bộ đếm và so sánh TCNT0 và OCR0 là các thanh ghi 8 bit. Các tín hiệu yêu cầu ngắt đều nằm trong thanh ghi TIFR. Các ngắt có thể được che bởi thanh ghi TIMSK. Bộ định thời có thể sử dụng xung clock nội thông qua bộ chia hoặc xung clock ngoài trên chân T0. Khối chọn xung clock điều khiển việc bộ định thời bộ đếm sẽ dùng nguồn xung nào để tăng giá trị của nó. Ngõ ra của khối chọn xung clock được xem là xung clock của bộ định thời. Thanh ghi OCR0 luôn được so sánh với giá trị của bộ định thời/bộ đếm. Kết quả so sánh có thể được sử dụng để tạo ra PWM hoặc biến đổi tần số ngõ ra tại chân OC0. Phần chính của bộ định thời 8 bit là một đơn vị đếm song hướng có thể lập trình được. Cấu trúc của nó như hình dưới đây: Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 8 Hình 8. Sơ đồ đơn vị đếm + Count: tăng hay giảm TCNT0:1 + Direction: lựa chọn giữa đếm lên và đếm xuống + Clear: xóa thanh ghi TCNT0 + TOP: báo hiệu bộ định thời đẫ tăng đến giá trị lớn nhất + BOTTOM: báo hiệu bộ định thời đã giảm đến giá trị nhỏ nhất Bộ so sánh 8 bit liên tục so sánh giá trị TCNT0 với giá trị thanh ghi so sánh ngõ ra (OCR0). Khi giá trị TCNT0 bằng với OCR0, bộ so sánh sẽ tạo một báo hiệu. Báo hiệu này sẽ đặt giá trị cờ so sánh ngõ ra (OCF0) lên 1 vào chu kỳ xung clock tiếp theo. Nếu được kích hoạt (OCIE0=1), cờ OCF0 sẽ tạo ra một ngắt so sánh ngõ ra và sẽ tự động được xóa khi ngắt được thực thi. Cờ OCF0 cũng có thể được xóa bằng phần mềm. Hình 9. Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra  Mô tả các thanh ghi  Thanh ghi điều khiển bộ định thời/bộ đếm TCCR0 + Bit 7 (FOC0): so sánh ngõ ra bắt buộc: bit này chỉ tích cực khi bit WGM00 chỉ định chế độ làm việc không có PWM. Khi đặt bit này lên 1, một báo hiệu so sánh bắt buộc xuất hiện tại đơn vị tạo dạng sóng. Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 9 + Bit 6 (WGM00) – bit 3 (WGM01): chế độ tạo dạng sóng: các bit này điều khiển hoạt động của chân OC0. Nếu một hoặc cả hai bit COM01, COM00 được đặt lên 1, ngõ ra OC0 sẽ hoạt động. + Bit 2 (CS02), bit 1 (CS01), bit 0 (CS00): chọn xung đồng hồ: ba bit này dùng để lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời/bộ đếm Hình 10. Lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời  Thanh ghi bộ định thời/bộ đếm Thanh ghi bộ định thời/bộ đếm cho phép truy cập trực tiếp vào bộ đếm 8 bit  Thanh ghi so sánh ngõ ra – OCR0 Thanh ghi này chứa một giá trị 8 bit và liên tục được so sánh với giá trị của bộ đếm  Thanh ghi mặt nạ ngắt + Bit 1 (OCIE0): cho phép ngắt báo hiệu so sánh + Bit 0 (TOIE0): cho phép ngắt tràn bộ đếm  Thanh ghi cờ ngắt bộ định thời Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 10 + Bit 1 (OCF0): Cờ so sánh ngõ ra 0 + Bit 0 (TOV0): Cờ tràn bộ đếm Bit TOV0 được đặt lên 1 khi bộ đếm bị tràn và được xóa bởi phần cứng khi vector ngắt tương ứng được thực hiện. Bit này cũng có thể được xóa bằng phần mềm. II. Động cơ điện một chiều 1. Cấu tạo Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt. Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Rotor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mòn của chổi than. Chổi than – vành góp có chức năng đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực tính dương và một nửa có cực tính âm). 2. Nguyên lý làm việc Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của mách 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 một dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành moment điện từ. Moment điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục. Giá trị của moment điện từ được tính bằng công thức: . 2 p n m I k I a     Trong đó: p là số đôi cực của động cơ điện; n là số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a là số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; k là hệ số kết cấu của máy. Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 900 so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor. Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều: Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 11 u u u E K V E R I M K I      Với: Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb) Iu: dòng điện phản ứng (A) V: điện áp phản ứng (V) Ru: điện trở phản ứng (Ω) ω: tốc độ của động cơ (rad/s) M: moment động cơ (N/m) K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ. 3. Phân loại - Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. - Động cơ một chiều kích từ độc lập (phần ứng và phần kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ). - Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với phần ứng. - Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích được mắc song song với phần ứng. - Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có 2 cuộn dây kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng. III. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều 1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều Đảo chiều quay của động cơ điện một chiều được thực hiện dễ dàng bằng cách thay đổi chiều dòng điện cấp vào động cơ điện là có thể thay đổi được chiều quay của động cơ. Một số phương pháp điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều: - Sử dụng công tắc: nối vào một công tắc có 3 nấc, khi gạt công tắc sang phải thì động cơ quay theo chiều thuận, gạt về giữa thì động cơ dừng, gạt sang trái thì động cơ quay ngược lại. Nguyên tắc đó là đảo chiều của nguồn cung cấp vào động cơ. - Sử dụng mạch cầu H điều khiển: linh kiện sử dụng trong mạch cầu có thể là diode, transistor BJT, transistor trường. Hình 11. Mạch cầu H sử dụng: a/ transistor PNP – NPN; b/ MOSFET; c/ Relay Nguyên tắc hoạt động: (phân tích với hình a, các hình khác tương tự) ở chế độ quay thuận, tín hiệu điều khiển cấp vào 4 transistor với điều kiện là vào Q1 = 0, Q2 = 1; Q3 = 0; Q4 = 1, dòng điện sẽ đi theo chiều từ nguồn cấp vào Q1, qua động cơ vào Q4 xuống đất. Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 12 Hình 12. Dòng điện chạy trong mạch cầu H ở chế độ quay thuận. Ở chế độ quay ngược, Q1 = 1, Q2 = 0; Q3 = 1; Q4 = 0, dòng điện sẽ đi từ Q2 qua động cơ về Q3 xuống đất. Như vậy là đã làm cho động cơ quay theo chiều ngược lại. Muốn cho động cơ dừng không quay thì cho Q1, Q3 và Q2, Q4 cùng mức là được. - Sử dụng các IC chuyên dụng: các IC chuyên dụng dùng để điều khiển động cơ có thể dễ dàng tìm thấy như L293, L293D, L298, L298N, Hình 13. IC L298 và sơ đồ chân. IC L298 được tích hợp sẵn bên trong hai mạch cầu H do đó có thể điều khiển được hai động cơ một chiều với chỉ một IC L298. Hai chân OUTPUT1 và OUTPUT2 cho động cơ 1 và hai chân OUTPUT3 và OUTPUT4 là cho động cơ thứ 2. Chân INPUT1 đưa tín hiệu điều khiển động cơ 1, chân INPUT2 đưa tín hiệu điều khiển động cơ 2. Để điều khiển chiều quay của động cơ một chiều thì cần đưa chân INPUT lên mức 1, khi đó, với 1 động cơ, giả sử ở chân OUT1 và OUT2, đề điều khiển quay thuận thì cho OUT1 = 1, OUT2 = 0; điều khiển quay ngược thì cho OUT1 = 0, OUT2 = 1; dừng động cơ thì cho đồng thời OUT1 = OUT2 = 1 hoặc OUT1 = OUT2 = 0. Với hai chân OUT3 và OUT4 thì làm tương tự sau khi đã đưa INPUT2 lên mức 1. 2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Điều khiển tốc độ động cơ điện là một yêu cầu cần thiết vì có những máy móc hoạt động với những tốc độ khác nhau, nhanh chậm tùy loại, tùy công việc và điều kiện làm việc. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp có thể sử dụng cho các động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ. Tuy vậy thì nó được sử dụng chủ yếu cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 13 2( ) u puR RU M k k       Trong đó: Ru và Rpu là điện trở phần ứng và điện trở phụ mắc nối tiếp trong phần ứng. K: hằng số M: moment của động cơ Φ: từ thông trên mỗi cực U: điện áp cung cấp. Như vậy, khi Ru, Rpu, M, k, Φ không đổi, nếu thay đổi U thì tốc độ góc ω của động cơ sẽ thay đổi. Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể thay đổi được để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các nguồn điện áp này thường được tạo ra bởi một bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (dùng thyristor) hoặc không có điều khiển (dùng diode). Hình 14. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu: a/ không có điều khiển; b/ có điều khiển Hình a: thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ bằng sử dụng bộ điều chỉnh điện áp. Hình b: điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của thyristor của bộ chỉnh lưu có điều khiển. Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp Phương pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một cách có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lượng được đưa từ nguồn vào động cơ. Năng lượng này phần chủ yếu được truyền qua trục của động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và năng lượng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lượng tích lũy đó. Hình 15. Sơ đồ nguyên lý và tương đương của bộ điều chỉnh xung áp. Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 14 Hình 16. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện. Nhờ một khóa chuyển đổi K mà phần ứng động cơ được đóng, ngắt một cách có chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp không đổi. Trong khoảng thời gian t1 khóa K đóng, động cơ được cấp nguồn, nếu bỏ qua sự sụt áp trên khóa K thì Ut = U. Trong khoảng thời gian t2 khóa K ngắt. Do ảnh hưởng của các điện cảm phía một chiều, dòng điện cảm ứng iu tiếp tục chạy qua diode D. Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp thuận trên diode nhưng ngược dấu Ut = UD. Từ đồ thị, nhận thấy trị số trung bình của dòng điện trong phần ứng itb quyết định tốc độ động cơ. Do đó để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị số của dòng điện trung bình trong phần ứng itb. Để thay đổi dòng điện trung bình itb có thể thay đổi t1 hoặc t2 hoặc cả t1 và t2. Nếu giữ nguyên chu kỳ đóng cắt của khóa (Tck = const) thay đổi t1 thì có phương pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời gian đóng khóa (t1 = const) và thay đổi t2 thì có phương pháp điều chỉnh tần số xung. Phương pháp biến đổi độ rộng xung được xử dụng phổ biến hơn vì nó cho phạm vi điều chỉnh rộng hơn. Phương pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản hơn nhưng phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck sẽ tiến đến vô cực, nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung không còn tác dụng. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp một chiều và có đổi chiều quay Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập theo phương pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ: Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 15 Hình 17. Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ Các cặp van K1 và K3, K2 và K4 thay nhau đóng, ngắt. Thực hiện đảo chiều bằng cách: trong thời gian t1 cho K1 và K3 đóng (K2 và K4 ngắt) đầu A của phần ứng được nối với dương nguồn, đầu B được nối âm nguồn. Trong khoảng thời gian t2 cho K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt) thì đầu B của phần ứng được nối với dương nguồn còn đầu A của phần ứng được nối với âm nguồn. Khi đó điện áp trung bình trên phần ứng động cơ được tính bằng công thức: 1 2( ) tb ck U t t U T   Như vậy bằng cách biến đổi t1 và t2 thì có thể biến đổi được trị số của Utb và còn thay đổi được dấu của nó, như vậy là có thể điều chỉnh được cùng lúc tốc độ và chiều quay. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều dùng transistor Hình 18. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều dùng transistor T1 đóng vai trò tầng khuếch đại sơ bộ mắc theo kiểu Collector chung (mạch lặp Emiter). T2 và T3 là tầng khuếch đại công suất mắc theo kiểu Darlington để có công suất lớn. Chức năng của mchj do T2 quyết định còn T3 có tác dụng khuếch đại dòng điện ra. Nguyên lý hoạt động: khi có xung điều khiển Uv đưa vào bazor của T1 sẽ tạo thiên áp cho T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên emitor của T1 đưa vào bazor của T2 làm cho T2 và T3 làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ được khuếch đại lên. Xung điều khiển có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh tần số xung dẫn đến Ube của T1 thay đổi làm cho Uce của T1 thay đổi theo, qua khuếch đại công suất T2 và T3 làm cho điện áp đặt vào phần ứng của động cơ một chiều thay đổi do đó tốc độ thay đổi. Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 16 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều dùng transistor và OPAM Hình 19. Mạch đảo chiều động cơ dùng transistor và khuếch đại thuật toán. Mạch gồm 2 tầng khuếch đại: - Tầng 1 là khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng khuếch đại thuật toán uA741. - Tầng 2 là tầng khuếch đại công suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là ±12V. Mạch phản hồi âm được báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2 diode ổn định điện áp cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1 và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra khi đổi chiều quay. Rf là điện trở mạch phản hồi. Nguyên lý làm việc: Khi Udk có cực tính dương thì ở chân 6 của KĐTT có điện áp âm đặt vào bazor của T1 và T2 do T1 là loại NPN và T2 là loại PNP do đó T1 khóa còn T2 dẫn. Khi T2 dẫn thì nguồn âm (- 12V) qua R5, qua T2 (đang dẫn) đặt vào bazor của T3 và T4. Do T3 cũng là loại NPN, T4 là PNP do đó T3 bị khóa còn T4 dẫn.. Do T2 và T4 dẫn nên có dùng điện đi từ 0 qua động cơ, qua T4 rồi về nguồn âm (-12V), động cơ quay theo một chiều nhất định. Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ động cơ: giả sử tốc độ động cơ giảm dòng điện Id tăng làm điện áp tại đầu ra là UR giảm. Thông qua điện trở phàn hổi Rf, điện thế ở đầu vào chân 2 của khuếch đại thuật toán tăng lên vì U2 = Udk – UR và Udk = const nên UR giảm thì U2 tăng. Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại thuật toán tăng lên thì điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng theo làm cho UR tăng làm tốc độ động cơ tăng. Ngược lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dương đặt vào bazo của T1 và T2. Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 và T4 khóa, do đó sẽ có dòng đi từ nguồn (+12V) qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm động cơ quay chiều ngược lại. Điều chỉnh tốc độ động cơ dùng thyristor. Thyristor được dùng trong điều khiển động cơ công suất lớn và điện áp phần ứng cao. Trong điều khiển động cơ công suất thấp thì ít dùng vì giá thành cao. Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 17 Hình 20. Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng diode và thyristor. D1, D2, D3, D4 phối hợp tạo thành mạch cầu chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. L và D5 có tác dụng san bằng dòng điện. Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lưu. Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 18 Phần II. Nội dung I. Thiết kế và thi công phần cứng 1. Sơ đồ khối 2. Sơ đồ nguyên lý và mạch in a. Mạch nguồn Hình 21. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC LM2576 Hình 22. PCB mạch nguồn Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 19 b. Mạch điều khiển Hình 23. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng VĐK Atmega16 Hình 24. Khối nút nhấn Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 20 Hình 25. PCB mạch điều khiển c. Mạch công suất Hình 26. Mạch công suất điều khiển động cơ sử dụng IC LM298 Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 21 Hình 27. PCB mạch công suất 3. Mô phỏng trên Proteus Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 22 4. Hình ảnh mạch thực tế. Hình 28. Mạch nguồn Hình 28. Mạch điều khiển Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 23 Hình 30. Mạch công suất II. Viết code cho vi điều khiển. #include #include int duty = 1000; interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { if(duty >= 2000) { duty = 2000; } else { duty += 100; OCR1A = duty; } } interrupt [EXT_INT1] void ext_int1_isr(void) Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 24 { if(duty < 0) { duty = 0; } else { duty -= 100; OCR1A = duty; } } void main(void) { PORTC = 0xfe; DDRC = 0xff; PORTD = 0xff; DDRD = 0x23; // Cau hinh timer1 TCCR1A = 0x82; TCCR1B = 0x5A; TCNT1H = 0x00; TCNT1L = 0x00; ICR1H = 0x07; ICR1L = 0xd0; OCR1A = duty; OCR1BH = 0x00; OCR1BL = 0x00; // Khoi tao ngat GICR|=0xC0; MCUCR = 0x0A; MCUCSR = 0x00; GIFR = 0xC0; TIMSK = 0x00; #asm("sei") while (1) { // Nut quay thuan Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 25 if(PIND.6 == 0) { delay_ms(20); { if(PIND.6 == 0) { while(PIND.6 == 0); PORTC.1 = 0; PORTC.0 = 1; PORTC.2 = 1; PORTD.0 = 1; PORTD.1 = 0; } } } // Nut quay nguoc if(PIND.7 == 0) { delay_ms(20); { if(PIND.7 == 0) { while(PIND.7 == 0) PORTC.2 = 0; PORTC.0 = 1; PORTC.1 = 1; PORTD.0 = 0; PORTD.1 = 1; } } } // Nut dung if(PIND.4 == 0) { delay_ms(20); { if(PIND.4 == 0) { while(PIND.4 == 0) PORTC.0 = 0; PORTC.1 = 1; PORTC.2 = 1; Bài tập lớn Vi xử lý, vi điều khiển Trang 26 PORTD.0 = 1; PORTD.1 = 1; } } } } } Phần III. Kết luận 1. Đánh giá sản phẩm - Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, thiết kế nhỏ gọn, chi phí phù hợp - Nhược điểm: gồm nhiều module nên phải sử dụng dây kết nối làm giảm tính thống nhất. 2. Tính thực tế của sản phẩm Với mô hình này, có thể ứng dụng trong các ứng dụng đóng mở cửa nơi công cộng như nhà hàng, khách sạn. Có thể ứng dụng trong các đồ chơi cho trẻ em như các ô tô đồ chơi dùng điều khiển cầm tay. Một ứng dụng khá thực tế đó là điều khiển đóng mở cánh âu thuyền, ứng dụng khả năng điều khiển quay thuận, ngược của động cơ, tuy nhiên khi đó sẽ phải thiết kế lại mạch công suất để phù hợp với các động cơ công suất lớn. 3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển - Hướng cải tiến: phát triển các module trên cùng một board mạch để sản phẩm được thống nhất, không bị rối mắt vì phải câu nhiều dây. - Hướng phát triển: có thể tích hợp thêm bộ điều khiển từ xa thay cho các nút nhấn để điều khiển được thuận lợi hoặc kết hợp với các ứng dụng thông minh trên các điện thoại thông minh để có được bộ điều khiển hoàn hảo.