Đồ án Điều khiển tôc độ động cơ một chiêu

LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ. Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ báo giờ, cân điện tử... đã giúp cho đời sống cuả chúng ta ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn.Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lưọng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Vì vậy với đề tài đồ án môn học về “Điều khiển tôc độ động cơ một chiêu” dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Văn Khanh rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp. Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên trong khoa. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2012. Giáo Viên Hướng Dẫn Đặng Văn Khanh Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2012 Giáo Viên Hướng Dẫn Đặng Văn Khanh MỤC LỤC Phần I:Giới Thiệu Chung I.Tổng quan Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực với tốc độ đặt, làm giảm năng suất của máy sản xuất. Chính vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ là một yêu cầu cần thiết và tất yếu đối với các máy sản xuất. Như ta biết rằng hầu hết các máy sản xuất đều đòi hỏi có nhiều tốc độ, nhưng tuỳ theo từng công việc, điều kiện làm việc mà ta lựa chọn các tốc độ khác nhau. Muốn có được các tốc độ khác nhau trên máy, ta có thể thay đổi cấu trúc cơ học của máy như tỉ số truyền hoặc thay đổi tốc độ của động cơ truyền động chính… Nhưng ở đây chúng ta chỉ khảo sát theo phương pháp thay đổi tốc độ của động cơ truyền động.Ở động cơ một chiều, việc điều chỉnh tốc độ động cơ có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Động cơ một chiều không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lạc, mạch điều khiển lại đơn giản hơn các loại động cơ khác và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng. Do đông cơ một chiều rất quan trọng trong cuộc sống và rất phổ biến trong cuộc sống lên học kỳ này chúng em được làm đồ án ‘’ Điều khiển đông cơ 1 chiều bằng vi điều khiển’’. Có thể nói động cơ 1 chiều có vai trò rất lớn trong ngành điều khiển tự động. Để điều khiển được động cơ một chiều,hay nói cách khác là điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều thì có nhiều cách khác nhau như: -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng. -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ. -Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng. Tuy nhiên như những cách trên thì việc điều khiển tốc độ động cơ trở lên khó khăn và hiệu quả thấp. Do vậy ở đây chúng êm sử dụng phương pháp điều xung (tức thay đổi độ rộng xung), sử dụng vi điều khiển AT89C51, độ rộng xung càng lớn thì động cơ quay càng nhanh. Để điều khiển được động cơ theo phương pháp này thì cần nhiều bước khác nhau, từ việc đi thiết lập phần cứng điều khiển đến cấu trúc chương trình điều khiển phải hợp logic. Nếu việc thiết lập phần cứng và chương trình điều khiển không phù hợp nhau thì sẽ không điều khiển được động cơ. II. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là: tạo ra một mô hình điều khiển cho động cơ 1 chiều, mô hình điều khiển này có thể làm mô hình thí nghiệm cho các sinh viên nghiên cứu để tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như các phương pháp điều khiển hoạt động cho động cơ. Đặc biệt là việc điều khiển cho động cơ 1 chiều sử dụng vi điều khiển AT89C51. III.Phương pháp nghiên cứu Đưa ra ý tưởng thiết kế (ứng dụng vi điều khiển). Thiết kế mạch phần cứng điều khiển: kết nối vi điều khiển, điều khiển hoạt động của động cơ. Viết chương trình điều khiển. Vận hành mô hình và sửa lỗi: Cả ba thành viên tham gia đồ làm đồ án cùng nhau tập chung nghiên cứu, thảo luận các vấn đề lý thuyết có liên quan và cùng tiến hành thực hành để hoàn thành đề tài. IV.Kết quả dự kiến Thứ nhất là tìm hiểu và biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều. Thứ hai là biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng như ứng dụng của các linh kiện điện tử. Thứ ba là điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều và có đảo chiều động cơ dùng vi điều khiển. Thứ tư là có thể hiểu và lập trình thành thạo với vi điều khiển AT89C51. Hoàn thành mô hình đề tài đảm bảo đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu đã được đề ra. Phần II: Nội Dung Chính Chương I: Tìm Hiểu Về Linh Kiện Điện Tử Trong Đề Tài I.Mosfet      1.1 Giới thiệu về Mosfet Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính . Hình 1.1 Transistor hiệu ứng trường Mosfet Những ứng dụng: + Bộ biến đổi DC – DC hiệu quả cao + UPS và điều khiển động cơ IRF 9540 là mosfet loại P + Hoạt động với điện áp VDSSMAX = -100V, RDS(ON) = 0,20Ω, ID = -19A. 1.2 Cấu tạo và ký hiệu của Mosfet. Hình 1.2 Ký hiệu và sơ đồ chân tương đương giữa Mosfet và Transistor    * Cấu tạo của Mosfet. Hình 1.3 Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N G : Gate gọi là cực cổng S : Source  gọi là cực nguồn D : Drain gọi  là cực máng Mosfet kện N có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P-N được cách điện bởi lớp SiO2  hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G. Mosfet có điện trở  giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D  là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào  điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ) Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0  => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ. II. Vi Điều Khiển AT89C51 2.1 Tìm hiểu về IC 89C51 Bắt đầu xuất hiện vào năm 1980, trải qua gần 30 năm, hiện đã có tới hàng trăm biến thể (derrivatives) được sản xuất bởi hơn 20 hãng khác nhau, trong đó phải kể đến các đại gia trong làng bán dẫn (Semiconductor) như ATMEL, Texas Instrument, Philips, Analog Devices… Tại Việt Nam, các biến thể của hãng ATMEL là AT89C51, AT89C52, AT89S51, AT89S52… đã có thời gian xuất hiện trên thị trường khá lâu và có thể nói là được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại vi điều khiển 8 bit. 2.1.1 Cấu trúc bus Bus địa chỉ của họ vi điều khiển 8051 gồm 16 đường tín hiệu (thường gọi là bus địa chỉ 16 bit). Với số lượng bit địa chỉ như trên, không gian nhớ của chip được mở rộng tối đa là 65536 địa chỉ, tương đương 64K. Bus dữ liệu của họ vi điều khiển 8051 gồm 8 đường tín hiệu (thường gọi là bus dữ liệu 8 bit), đó là lý do tại sao nói 8051 là họ vi điều khiển 8 bit. Với độ rộng của bus dữ liệu như vậy, các chip họ 8051 có thể xử lý các toán hạng 8 bit trong một chu kỳ lệnh. 2.1.2 CPU (Central Processing Unit) CPU là đơn vị xử lý trung tâm, đó là bộ não của toàn bộ hệ thống vi điện tử được tích hợp trên chip vi điều khiển. CPU có cấu tạo chính gồm một đơn vị xử lý số học và lôgic ALU (Arithmethic Logic Unit) - nơi thực hiện tất cả các phép toán số học và phép lôgic cho quá trình xử lý. 2.1.3 Bộ nhớ chương trình (Program Memory) Không gian bộ nhớ chương trình của AT89 là 64K byte, tuy nhiên hầu hết các vi điều khiển AT89 trên thị trường chỉ tích hợp sẵn trên chip một lượng bộ nhớ chương trình nhất định và chiếm dải địa chỉ từ 0000h trở đi trong không gian bộ nhớ chương trình. AT89C51/AT89S51 có 4K byte bộ nhớ chương trình loại Flash tích hợp sẵn bên trong chip. Đây là bộ nhớ cho phép ghi/xóa nhiều lần bằng điện, chính vì thế cho phép người sử dụng thay đổi chương trình nhiều lần. Số lần ghi/xóa được thường lên tới hàng vạn lần. Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mã của chương trình nạp vào chip. Mỗi lệnh được mã hóa bởi 1 hay vài byte, dung lượng của bộ nhớ chương trình phản ánh số lượng lệnh mà bộ nhớ có thể chứa được. Địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình (0x0000) chính là địa chỉ Reset của 8051. Ngay sau khi reset (do tắt bật nguồn, do mức điện áp tại chân RESET bị kéo lên 5V...), CPU sẽ nhảy đến thực hiện lệnh đặt tại địa chỉ này trước tiên, luôn luôn là như vậy. Phần còn trống trong không gian chương trình không dùng để làm gì cả. Nếu muốn mở rộng bộ nhớ chương trình, ta phải dùng bộ nhớ chương trình bên ngoài có dung lượng như ý muốn. Tuy nhiên khi dùng bộ nhớ chương trình ngoài, bộ nhớ chương trình onchip không dùng được nữa, bộ nhớ chương trình ngoài sẽ chiếm dải địa chỉ ngay từ địa chỉ 0x0000. 2.1.4 Bộ nhớ dữ liệu (Data Memory) Vi điều khiển họ 8051 có không gian bộ nhớ dữ liệu là 64K địa chỉ, đó cũng là dung lượng bộ nhớ dữ liệu lớn nhất mà mỗi chip thuộc họ này có thể có được (nếu phối ghép một cách chính tắc, sử dụng các đường tín hiệu của bus địa chỉ và dữ liệu). Bộ nhớ dữ liệu của các chip họ 8051 có thể thuộc một hay hai loại: SRAM hoặc EEPROM. Bộ nhớ dữ liệu SRAM được tích hợp bên trong mọi chip thuộc họ vi điều khiển này, có dung lượng khác nhau tùy loại chip, nhưng thường chỉ khoảng vài trăm byte. Đây chính là nơi chứa các biến trung gian trong quá trình hoạt động của chip. khi mất điện, do bản chất của SRAM mà giá trị của các biến này cũng bị mất theo. Khi có điện trở lại, nội dung của các ô nhớ chứa các biến này cũng là bất kỳ, không thể xác định trước. Bên cạnh bộ nhớ loại SRAM, một số chip thuộc họ 8051 còn có thêm bộ nhớ dữ liệu loại EEPROM với dung lượng tối đa vài Kbyte, tùytừng loại chip cụ thể. Dưới đây là một vài ví dụ về bộ nhớ chương trình của một số loại chip thông dụng thuộc họ 8051. STT Tên chip Bộ nhớ SRAM Bộ nhớ EEPROM 1 AT89C51 128 byte O 2 AT89C52 256 byte 0 3 AT89C2051 128 byte 0 4 AT89S51 128 byte 0 5 AT89S8252 256 byte 0 6 AT89S8252 256 byte 2028 byte Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 128 byte thì địa chỉ của các byte SRAM này được đánh số từ 00h đến 7Fh. Đối với các chip có bộ nhớ SRAM 256 byte thì địa chỉ của các byte SRAM được đánh số từ 00h đến FFh. Ở cả hai loại chip, SRAM có địa chỉ từ 00h đến 7Fh được gọi là vùng RAM thấp, phần có địa chỉ từ 80h đến FFh (nếu có) được gọi là vùng RAM cao. Bên cạnh các bộ nhớ, bên trong mỗi chip 8051 còn có một tập hợp các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR – Special Function Register). Các thanh ghi này lien quan đến hoạt động của các ngoại vi onchip (các cổng vào ra, timer, ngắt ...). Địa chỉ của chúng trùng với dải địa chỉ của vùng SRAM cao, tức là cũng có địa chỉ từ 80h đến FFh. 2.2 Các thanh nghi đặc biệt SFR 2.2.1 Cổng vào ra song song (I/O Port) 8051 có 4 cổng vào ra song song, có tên lần lượt là P0, P1, P2 và P3. Tất cả các cổng này đều là cổng vào ra hai chiều 8bit. Các bit của mỗi cổng là một chân trên chip, như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chip dùng cổng đó làm cổng ra hay cổng vào) là độc lập giữa các cổng và giữa các chân (các bit) trong cùng một cổng. Ví dụ, ta có thể định nghĩa cổng P0 là cổng ra, P1 là cổng vào hoặc ngược lại một cách tùy ý, với cả 2 cổng P2 và P3 còn lại cũng vậy. Trong cùng một cổng P0, ta cũng có thể định nghĩa chân P0.0 là cổng vào, P0.1 lại là cổng ra tùy ý. Cổng P0 không có điện trở treo cao (pullup resistor) bên trong, mạch lái tạomức cao chỉ có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/dữ liệu. Như vậy với chức năng ra thông thường, P0 là cổng ra open drain, với chức năng vào, P0 là cổng vào cao trở (high impedance). Nếu muốn sử dụng cổng P0 làm cổng vào/ra thông thường, ta phải thêm điện trở pullup bên ngoài. Giá trị điện trở pullup bên ngoài thường từ 4K7 đến 10K. Các cổng P1, P2 và P3 đều có điện trở pullup bên trong, do đó có thể dùng với chức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần có thêm điện trở pullup bên ngoài. Thực chất, điện trở pullup bên trong là các FET, không phải điện trở tuyến tính thông thường, tuy vậy nhưng khả năng phun dòng ra của mạch lái khi đầu ra ở mức cao (hoặc khi là đầu vào) rất nhỏ, chỉ khoảng 100 micro Ampe. 2.2.2 Cổng vào ra nối tiếp (Serial Port) Cổng nối tiếp trong 8051 chủ yếu được dùng trong các ứng dụng có yêu cầu truyền thông với máy tính, hoặc với một vi điều khiển khác. Liên quan đến cổng nối tiếp chủ yếu có 2 thanh ghi: SCON và SBUF. Ngoài ra, một thanh ghi khác là thanh ghi PCON (không đánh địa chỉ bit) có bit 7 tên là SMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp có gấp đôi lên (SMOD = 1) hay không (SMOD = 0). 2.2.3 Ngắt (Interrupt) 8051 chỉ có một số lượng khá ít các nguồn ngắt (interrupt source) hoặc có thể gọi là các nguyên nhân ngắt. Mỗi ngắt có một vector ngắt riêng, đó là một địa chỉ cố đị