TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 4 (CHUYÊN NGÀNH 1) Tên đề tài: Thiết kế , chế tạo mạch điều khiển động cơ điện một chiều Số liệu cho trước: - Thông số của các loại linh kiện điện tử chuyên dụng - Các tài liệu, giáo trình chuyên môn. Nội dung cần hoàn thành: 1. Tìm hiểu về ứng dụng của động cơ điện một chiều, vi điều khiển PIC16F877A 2. Phân tích, xác định yêu cầu của đề tài 3. Phân tích, lựa chọn kết cấu cho mô hình, thiết kế và chế tạo mạch điều khiển động cơ điện một chiều 4. Lập kế hoạch và thực hiện các báo cáo theo đúng tiến độ. Quyển thuyết minh và các bản vẽ, file mô tả đầy đủ nội dung của đề tài. GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Mục Lục NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên, ngày tháng năm 2009 GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn PHẠM XUÂN HIỂN LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi, thâm nhập ngày càng nhiều vào trong các lĩnh vực của kĩ thuật cũng như đời sống xã hội. Hầu hết các thiết bị từ đơn giản như các thiết bị trong gia đình cho đến các thiết bị tinh vi như máy tính hay máy công nghiệp đều có sự xuất hiện của các bộ vi điều khiển. Động cơ điện một chiều là loại động cơ được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng thông thường cũng như các ứng dụng phức tạp. Để một động cơ làm việc một cách hiệu quả thì đòi hỏi phải có cách điều khiển tốt. Xuất phát từ thực tế đó chúng em đã tập chung nghiên cứu về ứng dụng của vi điều khiển, động cơ điện một chiều và cách “điều khiển động cơ điện một chiều” dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Xuân Hiển. Do kinh nghiệm chưa nhiều, kiến thức chuyên môn chưa thực sự sâu nên đồ án của chúng em không thể tránh khỏi những thiếu xót. Chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy cô cùng các bạn sinh viên để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn. Hưng yên tháng 12 năm 2009 Nhóm sinh viên thự hiện GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Đặt vấn đề Với xu thế khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhất là trong các lĩnh vực như thông tin viễn thông, điện tử công nghiêp, nhiều thiết bị, linh kiện mới ra đời đã dần thay thế cho các thiết bị, linh kiện trước đó có phần hạn chế. Sự vi mạch hóa đã đem lại những lợi ích to lớn cho cuộc sống của con người. Hầu hết khi xử lý dữ liệu, điều khiển người ta đều chọn xử lý trên nền tảng số học và đại số logic, với sự trợ giúp của các hệ vi điều khiển. Động cơ điện một chiều là một loại thiết bị được sử dụng rất nhiều trong sinh hoạt thường ngày. Chúng có những ứng dụng rất lớn, từ những chiếc radio đến vô tuyến rồi đến những thiết bị hiện đại như máy tính đều có sự hiện diện của động cơ điện một chiều. Nhưng nếu không điều khiển được thì chúng sẽ không thể phát huy được hết chức năng của nó. Vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là hết sức quan trọng. Trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện một chiều, ta có thể sử dụng kết hợp với vi điều khiển nhằm đơn giản hóa mạch điều khiển và đơn giản hóa việc điều khiển. 1.1. Đặc điểm, yêu cầu của đồ án Với khẳ năng có hạn cũng như thời gian hạn chế, hơn nữa là chỉ đi sâu vào nghiên cứu một loại vi điều khiển đang có ứng dụng thực tế cao và phổ biến là vi điều khiển PIC 16F877A, vì vậy đồ án phải đạt được các yêu cầu và đặc điểm sau: Có thể điều khiển được động cơ điện một chiều Có tính an toàn, thẩm mỹ và có tính ứng dụng thực tế cao. Dễ dàng mở rộng vấn đề cho đề tài 1.2. Phương pháp thiết kế Từ những yêu cầu, đặc điểm của đề tài, chúng em đã chọn ra phương án thực hiện như sau: GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ i. Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, bạn bè và thu thập những tài liệu liên quan. ii. Đề ra phương án thi công có tính khả thi xét trên các mặt kinh tế và kĩ thuật. iii. Thực hiện theo phương án và kế hoạch dưới sự chỉ đạo của giáo viên hướng dẫn. 1.3. Phương pháp thu thập dữ liệu - Sử dụng những tài liệu, những vấn đề do giáo viên hướng dẫn cung cấp. - Tham khảo những ý kiến của các giáo viên trong khoa và của bạn bè. - Thu thập những thông tin cần thiết trên mạng internet (một số trang web điển hình như: diendandientu.com; dientuvietnam.net; PICvietnam.com; ). 1.4. Trình tự thiết kế Sau khi bắt tay vào thực hiện đề tài, chúng em đã tuân thủ các bước thiết kế sau: - Thu thập dữ liệu. - Phân tích dữ liệu. - Đề ra các phương án và lựa chọn phương án tối ưu. - Thi công. - Kiểm tra và đưa ra kết luận. 1.5. Mở rộng đề tài Vì đây chỉ giới hạn là một đồ án môn học nên trong quá trình thực hiện, đề tài vẫn gặp phải một số hạn chế như chưa điều khiển được vòng kín, chưa hiển thị được tốc độ động cơ, Vì vậy hướng mở rộng đề tài của chúng em đó là thiết kế một bộ điều khiển hoàn chỉnh, có phản hồi vòng kín, có hiển thị tốc độ động cơ, tự động điều khiển tốc độ, GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cơ sở phần cứng Vi điều khiển Khái niệm Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v. 1.1. Mô tả Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Havard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng. Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài - tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Vi điều khiển khác với các bộ vi xử lý đa năng ở chỗ là nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ trợ bên ngoài. 1.2. Các họ vi điều khiển thông dụng 1.2.1. Họ vi điều khiển AMCC (do tập đoàn "Applied Micro Circuits Corporation" sản xuất). Từ tháng 5 năm 2004, họ vi điều khiển này được phát triển và tung ra thị trường bởi IBM. • 403 PowerPC CPU • PPC 403GCX • 405 PowerPC CPU GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ • PPC 405EP • PPC 405GP/CR • PPC 405GPr • PPC NPe405H/L • 440 PowerPC Book-E CPU • PPC 440GP • PPC 440GX • PPC 440EP/EPx/GRx • PPC 440SP/SPe 1.2.2. Họ vi điều khiển Atmel • Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB) • Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design) • Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51) • Dòng MARC4 1.2.3. Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems • CY8C2xxxx (PSoC) 1.2.4. Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor. Từ năm 2004, những vi điều khiển này được phát triển và tung ra thị trường bởi Motorola. • Dòng 8-bit 68HG05 (CPU05) 68HG08 (CPU08) 68HG11 (CPU11) • Dòng 16-bit 68HC12 (CPU12) 68HC16 (CPU16) Freescale DSP56800 (DSP controller) • Dòng 32-bit Freescale 683XX (CPU32) MPC500 MPC 860 (PowerQUICC) MPC 8240/8250 (PowerQUICC II) GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III) 1.2.5. Họ vi điều khiển Fujitsu • F²MC Family (8/16 bit) • FR Family (32 bit) • FR-V Family (32 bit RISC) 1.2.6. Họ vi điều khiển Inlel • Dòng 8-bit 8Xc42 MCS8 MCS51 8061 8xC261 • Dòng 16-bit 80186/88 MCS96 MXS296 • Dòng 32-bit 386EX I960 1.2.7. Họ vi điều khiển Microchip 12-bit instruction PIC 14-bit instruction PIC PIC 16F84 16-bit instruction PIC dsPIC 1.2.8. Họ vi điều khiển National Semiconductor COP8 CR16 1.2.9. Họ vi điều khiển STMicroelectronics ST 62 ST7 1.2.10. Họ vi điều khiển Philips Semiconductors LPC2000 LPC900 LCP700 GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. Cấu tạo Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu. GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 1.3. Nguyên lý hoạt động Trên hình 2 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hổ lên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm rotor quay. Chiều lực tác dụng được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 2a). Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 2b). Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều: GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện [...]... Nguồn điện xoay chiều được dùng để quay một động cơ điện xoay chiều, thường là một động cơ cảm ứng, và động cơ này sẽ kéo một máy phát điện một chiều Điện áp ra của phần ứng máy phát một chiều này được đưa thẳng đến phần ứng của động cơ điện một chiều cần điều khiển Cuộn dây kích từ song song của cả máy phát điện và động cơ điện một chiều sẽ được kích thích độc lập qua các biến trở kích từ Có thể điều khiển. .. HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học E= K Φ.ω V= E+Rư.Iư M= K Φ Iư Trong đó: Φ : từ thông trên mỗi cực (Wb) Iư : dòng điện phần ứng (A) V : điện áp phần ứng (V) Rư : điện trở phần ứng (Ω) Ω : tốc độ động cơ (rad/s) M : momen động cơ (Nm) K : hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào... tách điện trở ra, và động cơ sẽ trở về mức ngẫu lực ứng với tốc độ thấp Một phương pháp khác thường được dùng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều là phương pháp điều khiển theo kiểu Ward-Leonard Đây là phương pháp điều khiển động cơ một chiều (thường là loại kích thích song song hay hỗn hợp) bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều, mặc dù nó không được tiện lợi như những sơ đồ điều khiển một chiều. .. bằng điện Dạng đơn giản nhất là dùng một bộ đóng cắt và điện trở làm yếu từ trường, một bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát dòng điện của động cơ và sẽ chuyển mạch, đưa các điện trở suy giảm từ vào mạch khi dòng điện của động cơ giảm thấp hơn giá trị đặt trước Khi điện trở được đưa vào mạch, nó sẽ làm tăng tốc động cơ, vượt lên trên tốc độ thông thường ở điện áp định mức Khi dòng điện tăng bộ điều khiển. .. đặc biệt (Công tắc tơ đổi chiều) Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp bằng Thyristor, transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp trung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp thật... 85h) : điều khiển xuất nhập CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học ADCON1 (địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC 2.4.2 PORT B PORTB (RPB) gồm 8 pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB Bên cạnh đó một. .. HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học Mặc dù các hệ thống điều khiển điện tử sử dụng Thyristor đã thay thế hầu hết các hệ thống Ward Leonard cỡ nhỏ và trung bình, nhưng một số hệ thống lớn (cỡ vài trăm mã lực) vẫn còn đắc dụng Dòng điện kích từ nhỏ hơn nhiều so với dòng điện phần ứng, cho phép các Thyristor cỡ trung bình có thể điều khiển một động cơ lớn hơn rất nhiều, so với điều khiển trực tiếp... điện Một ứng dụng khác nữa là để khởi động các loại động cơ xăng hay động cơ điezen loại nhỏ Tuy nhiên nó không bao giờ dùng trong các ứng dụng mà hệ thống truyền động có thể dừng (hay hỏng), như băng truyền Khi động cơ tăng tốc, dòng điện phần ứng giảm (do đó cả trường điện cũng giảm) Sự giảm trường điện này làm cho động cơ tăng tốc cho tới khi tự phá hủy chính nó Đây cũng là một vấn đề với động cơ. .. giản đến phức tạp,… - Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không ngừng được phát triển GVHD: Phạm Xuân Hiển Nhóm sinh viên thực hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Đồ án môn học 2 Vi điều khiển PIC 16F877A 2.1 Sơ đồ 2.1.1 Sơ đồ chân 2.1.2 Sơ đồ khối 2.2 Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh... động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả . hiện TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi. TRƯỜNG ĐH SP KT HƯNG YấN Đồ án môn học KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 4 (CHUYÊN NGÀNH 1) Tên đề tài: Thiết kế , chế tạo mạch điều khiển động cơ điện một chiều Số liệu cho trước: - Thông. nguồn điện xoay chiều, mặc dù nó không được tiện lợi như những sơ đồ điều khiển một chiều. Nguồn điện xoay chiều được dùng để quay một động cơ điện xoay chiều, thường là một động cơ cảm ứng, và động