Luận văn thạc sỹ 1 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: Học viên: ĐỖ MẠNH TUẤN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ QUANG LẠP THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 2 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn MỤC LỤC Số trang Trang bìa 1 Mục lục 2 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5 Lời mở đầu 7 Chương I: Vi điều khiển và ứng dụng vi điều khiển trong truyền động điện 9 1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển 9 1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển 9 1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển 10 1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển 12 1.1.4 Phần mềm của vi điều khiển 16 1.2 Các họ vi điều khiển thông dụng 18 1.2.1 Vi điều khiển trong máy tính 18 1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng trong công nghiệp 18 1.2.3 Giới thiệu họ vi điều khiển MCS-51 (AT89C52) 19 1.2.3.1 Sơ lược về phần cứng của AT89C52 19 1.2.3.2 Cấu trúc bên trong của AT89C52 20 1.2.3.3 Sơ đồ chân và chức năng AT89C52 21 1.2.3.4 Tổ chức bộ nhớ 23 1.2.3.5 Các thanh ghi chức năng đặc biệt 27 1.2.3.6 Bộ nhớ ngoài 34 1.2.3.7 Lệnh Reset 38 1.2.3.8 Tập lệnh của AT 89C52 39 1.3 Ứng dụng vi điều khiển trong truyền động điện 42 1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện 42 1.3.2 Điều khiển số truyền động điện 43 1.3.3 Ưu điểm của điều khiển số 45 Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 3 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn Chương II: Phân tích và chọn phương án hệ truyền động với việc ứng dụng vi điều khiển 46 2.1 Hệ thống Thyistor- động cơ một chiều (T-Đ) 46 2.1.1 Hệ T-D tương tự 46 2.1.2 Hệ thống T-D điều khiển số 48 2.2 Hệ truyền động chế độ rộng xung động cơ điện một chiều (PWM-D) 49 2.2.1 Bộ biến đổi PWM không đảo chiều 49 2.2.2 Bộ biến đổi PWM đảo chiều 50 2.2.3 Đặc tính cơ mạch vòng hở của HT động PWM-D 53 2.2.4 Sơ đồ khối hệ kín PWM-D tương tự 55 2.2.5 Sơ đồ khối hệ kín PWM-D số. 56 2.3 Hệ điều khiển véc tơ biến tần động cơ KĐB 3 pha. 56 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động tương tự cho động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần 56 2.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động số cho động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần 58 Chương III: Phân tích tổng hợp hệ truyền động số PWM-D 60 3.1 Sơ đồ khối của hệ truyền động số PWM-D . 60 3.1.1 Mạch tạo xung điều khiển . 62 3.1.2 Thiết kế các bộ điều khiển số 64 3.1.2.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ 64 3.1.2.2 Thuật toán điều khiển tích phân I 64 3.1.2.3 Thuật toán điều khiển vi phân D 65 3.1.2.4 Thuật toán điều khiển PID 66 3.1.3 Khối biến đổi tương tự- số và số -tương tự 68 3.1.3.1 Khối biến đổi tương tự -số (A/D) 68 3.1.3.2 Khối biến đổi số - tương tự (D/A) 71 Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 4 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn 3.1.4 Cảm biến vị trí tốc độ (Encoder) 72 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển số 75 3.2.1 Tổng hợp hệ thống 76 3.2.2 Xác định tính ổn định hệ thống 81 3.2.3 Chất lượng của hệ truyền động 84 3.3 Tính toán và khảo sát cho hệ truyền động PWM-D 87 3.3.1 Xét ổn định mạch vòng dòng điện 87 3.3.2 Xét ổn định mạch vòng tốc độ 89 3.3.3 Chất lượng của hệ truyền động 92 3.3.2.1 Khảo sát chất lượng dùng chương trình pascal 92 3.3.2.2 Khảo sát chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink 95 Kết quả luận án và hướng phát triển của đề tài 101 Tài liệu tham khảo 102 Phụ lục 103 Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 5 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT ACV : Nguồn xoay chiều. DCV : Nguồn một chiều. A/D : Chuyển đổi tương tự số. D/A : Chuyển đổi số tương tự. DC : Động cơ điện một chiều. P : Bộ điều chỉnh tỷ lệ. I : Bộ điều chỉnh tích phân. D : Bộ điều chỉnh vi phân. PID : Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân. CPU : Bộ xử lý trung tâm. µC : Bộ vi điều khiển. PWM : Phương pháp điều chê độ rộng xung điện áp. βI : Phản hồi âm dòng điện. γn : Phản hồi tốc độ. U cđ : Điện áp chủ đạo. U đk : Điện áp điều khiển. U rc : Điện áp răng cưa. U SS : Điện áp so sánh. U SX : Điện áp sửa xung. U đb : Điện áp đồng bộ. FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo. SRC : Khối tạo xung răng cưa. SS : Khối so sánh. TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung. U ω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ. T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử). Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 6 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn M S1 : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ. M S2 : Tín hiệu phản hồi âm dòng điện. T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM). H(S) : Khâu lưu giữ 0. U d : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM. U c : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung. K ω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ. K i , K p : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện. Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 7 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước.Tự động hoá là yếu tố không thể thiếu trong một nền công nghiệp hiện đại; nói đến tự động hoá thì kỹ thuật số là một công cụ hỗ trợ đắc lực và không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của nền khoa học, kỹ thuật ngày nay. Đặc biệt trong truyền động điện, đo lường và điều khiển. Việc nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào trong hệ thống truyền động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nói chung ngày càng phổ biến. Ví dụ trong các dây truyền lắp ráp các sản phẩm kỹ thuật cao, trong người máy, các cơ cấu ăn dao máy mài, máy gọt kim loại, máy doa, hệ thống nâng hạ cần trục… Do tính chất ưu việt của công nghệ số so với phương pháp điều khiển tương tự truyền thống như: - Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động; - Dễ dàng tự động hoá; - Độ chính xác cao; - Có khả năng chống nhiễu tốt. Đa dạng về chủng loại, linh hoạt về chức năng, rễ ràng thay đổi về các tham số, cấu trúc phần mềm hệ thống vi điều khiển được thiết kế chế tạo tin cậy đảm bảo phù hợp từng hệ diều khiển tự động. Nói chung ở nước ta phần lớn các bộ điều khiển số động cơ điện một chiều chất lượng cao thường đều từ nước ngoài. Với công nghệ và áp dụng vi điều khiển ta có thể hoàn toàn chế tạo ra các bộ điều khiển hoàn chỉnh có Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 8 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn chức năng tương đương. Do đó để tận dụng và khai thác tiềm năng của các bộ vi điều khiển nên em chọn hướng nghiên cứu “Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập” Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi sai sót và có nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp. Em xin được bày tỏ biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã hướng dẫn tận tình và chỉ bảo cặn kẽ để em hoàn thành luận văn này. Xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp lớp TĐH K11 trường ĐHKT công nghiệp Thái Nguyên. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2010 Tác giả luận văn Đỗ Mạnh Tuấn Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 9 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn CHƯƠNG I VI ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung về bộ vi điều khiển 1.1.1 Khái niệm về vi điều khiển Bộ vi điều khiển viết tắt là µC (Microcontroller) là mạch tích hợp, trên một chíp có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Phần cứng chỉ đóng vai trò thứ yếu, phần mềm (chương trình) đóng vai trò chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi điều khiển có sự mềm dẻo hóa trong các chức năng của mình. Ngày nay vi điều khiển có tốc độ tính toán rất cao và khả năng xử lý rất lớn. Vi điều khiển có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của Vi điều khiển chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v. Vi điều khiển hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này điều khiển các mạch logic và từ đó vi điều khiển xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu. Chương trình là tập hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã. Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn trong truyền động điện như điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi điều khiển với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân các vi điều khiển khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một phần của một Chuyên ngành tự động hoá Luận văn thạc sỹ 10 Học viên: Đỗ Mạnh Tuấn máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi điều khiển là rất lớn. Vi điều khiển kết hợp với các thiết bị khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn các phép tính phức tạp, có tốc độ nhanh. 1.1.2 Lịch sử phát triển của bộ vi điều khiển Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller- Vi điều khiển, mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chíp ngày càng cao. Một số vi xử lý ra đời: Vi mạch MSI ( Medium Size Integration) có độ tích hợp trung bình cỡ 10 3 tranzito trong một chíp. Vi mạch LSI ( large Size Integration) có độ tích hợp cao cỡ 10 4 tranzito trong một chíp. Vi mạch VLSI (Very LSI) có độ tích hợp cao cỡ 10 5 tranzito trong một chíp. Năm 1971 bộ vi xử lý Intel 4004 loại 4 bít ra đời chứa 2250 tranzito. Năm 1975 Intel chế tạo bộ vi xứ lý 8 bít 8080 và 8085. Cùng khoảng thời gian này xuất hiện bộ vi xử lý 6800 của Motorola với 5000 tranzito, bộ vi xử lý Zilog Z80, Signetics 6520. Năm 1978 xuất hiện loại Intel 8086 là loại vi xử lý 16 bít với 29000 tranzito, Motorola 68000 tích hợp 70000 tranzito, AP 432 chứa 120000 tranzito. Bộ vi xử lý 32 bít của Hewlet Packard có khoảng 450000 tranzito. từ năm 1974 đến 1984 số tranzito tích hợp trong một chíp tăng khoảng 100 lần. Năm 1983 Intel đưa ra bộ vi xử lý 80286 dùng trong máy vi tính họ AT ( Advanced Technology). Bộ vi xử lý 80286 sử dụng I/O 16 bít và có24 đường địa chỉ và không gian nhớ địa chỉ thực 16MB. Năm 1987 Intel đưa ra bộ vi xử lý 80386 32 bít. Năm 1989 xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386 với bộ nhớ ẩn và mạch tính phép toán đại số dấu phẩy động. Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự trên màn hình đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là Chuyên ngành tự động hoá [...]... công nghiệp * Họ vi điều khiển AMCC * Họ vi điều khiển Atmel * Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems Chuyên ngành tự động hoá 19 Luận văn thạc sỹ Học vi n: Đỗ Mạnh Tuấn * Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor * Họ vi điều khiển Fujitsu * Họ vi điều khiển Intel * Họ vi điều khiển Microchip * Họ vi điều khiển National Semiconductor * Họ vi điều khiển STMicroelectronics * Họ vi điều khiển Philips Semiconductors... ngoại vi được nối tới Chuyên ngành tự động hoá 15 Luận văn thạc sỹ Học vi n: Đỗ Mạnh Tuấn Các thanh ghi điều khiển và thanh ghi trạng thái điều khiển, chỉ thị quá trình vào – ra của bộ vi điều khiển Ví dụ như bộ vi điều khiển đo tốc độ động cơ bàng cách đếm xung do bộ cảm biến tốc độ gửi tới trong một khoảng thời gian nhất định, thanh ghi giữ liệu đếm số xung theo sườn trước hoặc sườn sau của xung Bộ vi. .. hơn cho người dùng 1.1.3 Tổng quan về các hệ thống vi điều khiển Trong khối vi điều khiển bao gồm các khối ghép trong hình vẽ H.1-1 BUS (MCU) Bộ Vi điều khiển Mạch đồng hồ Bộ đệm và bộ đổi Thế giới bên ngoài BUS - Dữ liệu địa chỉ điều khiển Nguồn Các bộ nhớ và ngoại vi khác Chuyên ngành tự động hoá Bảng mạch vi điều khiển 13 Luận văn thạc sỹ Học vi n: Đỗ Mạnh Tuấn H.1-1: Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển. .. Semiconductors Kĩ thuật vi điều khiển có vai trò quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống và khoa học đặc biệt là lĩnh vực tin học và tự động hoá Qua đó các hãng sản suất đã cho ra các bộ vi điều khiển với độ phức tạp và độ gọn nhẹ và khả năng xử lí ngày càng được cải tiến Với các họ vi điều khiển thông dụng hiện có 1- Họ vi điều khiển MCS-51 2- Họ vi điều khiển PIC16Cxx 3- Chíp điều khiển thông... Bộ vi điều khiển có các chân ngoài dùng cho nguồn nuôi, điều khiển và các đường dữ liệu, địa chỉ Vì đa số các bộ vi xử lý là CMOS nên các nguồn V DD có điện áp dương và Vss nối đất CLOCK là một trong các đường điều khiển, mỗi đường điều khiển có chức năng riêng Một đường RESET để đưa bộ vi điều khiển trở về trạng thái ban đầu, nó được sử dụng nếu muốn hệ thống hoạt động trở lại và không có tác dụng. .. thế hệ Pentum thế hệ mới có tốc độ xử lý nhanh hơn, nhiều lệnh Nếu biết khi thác ứng dụng các máy vi tính trong lĩnh vực công nghiệp, truyền động điện sẽ tiếp tục nâng cấp được hệ thống truyền động sẵn có ở nước ta Trong máy tính có vi xử lý như 80286, 8088… Vi c ứng dụng các vi xử lý này sẽ tăng tốc độ xử lý tín hiệu gấp 2 lần so với các bộ vi xử lý chuyên dùng khác 1.2.2 Các vi điều khiển sử dụng. .. hợp ngữ, người lập trình có thể điều khiển trực tiếp bộ vi điều khiển • Hệ cơ số 16 ( HEXADECIMAL) Chuyên ngành tự động hoá 17 Luận văn thạc sỹ Học vi n: Đỗ Mạnh Tuấn Các bộ vi điều khiển thường đựoc lập trình dưới dạng hợp ngữ và dùng hệ cơ số 16 đẻ biểu diễn các thông tin bảng biểu diễn hệ số 16 coi một nhóm 4 bít mã nhị phân tương ứng với 16 số và ký tự từ 0 đến 9 và từ A đến F như bảng dưới đây:... hoá 12 Luận văn thạc sỹ Học vi n: Đỗ Mạnh Tuấn Hiện nay có rất nhiều họ Vi điều khiển trên thị trường với nhiều ứng dụng khác nhau, trong đó họ Vi điều khiển họ MCS-51 được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới và ở Vi t nam Vào năm 1980 Intel công bố chíp 8051(80C51), bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51 Nó bao gồm 4KB ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ định. .. hạng vi t dưới dạng hexa VD: câu lệnh hợp ngữ ORG $ E000 (với ORG chữ vi t tắt của Origin khởi đầu địa chỉ xuất phát là $E000) Đối vi điều khiển thường chạy chương trình Assembler và Linker trên máy tính mà không chạy chính trong bộ vi điều khiển Các chương trình này tạo lên mã máy mà bộ vi điều khiển có thể thực hiện được 1.2 Các họ vi điều khiển thông dụng 1.2.1 Vi điều khiển trong máy tính Máy vi. .. ghi điều khiển và thanh ghi trạng thái Các thanh ghi này cùng với CPU và cổng I/O được sử dụng trong các hoạt động vào ra Mỗi thanh ghi dữ liệu I/O lưu giữ các số liệu vào ra gắn với cổng I/O tương ứng Cổng I/O là tập hợp các chân I/O của chíp ứng với số liệu, thông thường các cổng I/O có 8 đường truyền byte dữ liệu; các cổng này có thể lập trình địa chỉ vào, ra hoặc cả hai chiều vào – ra Các chiều vào, . học, kỹ thuật ngày nay. Đặc biệt trong truyền động điện, đo lường và điều khiển. Vi c nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển vào trong hệ thống truyền động điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. tận dụng và khai thác tiềm năng của các bộ vi điều khiển nên em chọn hướng nghiên cứu Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển cho hệ điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc. Luận văn thạc sỹ 1 Học vi n: Đỗ Mạnh Tuấn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC