Luận Văn Ứng dụng vi điều khiển thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều

Đồ án tốt nghiệp năm 2011
Đề tài: Ứng dụng vi điều khiển thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều


MỤC LỤC
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1
1.1 . Lý do chọn đề tài . . 1
1.2 . Mục đích thực hiện đề tài . 1
1.3 . Nội dung đề tài . 1
1.4 . Phương pháp nghiên cứu 2
1.5 . Giải quyết vấn đề 2
Chương 2 : TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3
2.1. Tầm quang trọng của động cơ điện một chiều 3
2.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều 3
2.2.1. Phần tĩnh hay stato .3
2.2.2. Phần quay hay roto .4
2.2.3. Nguyên lý làm việc và phương trình cần bằng điện áp của động cơ điện một
chiều .5
2.2.4. Mở máy động cơ điện một chiều và điều chỉnh tốc độ .6
2.2.4.1. Mở máy động cơ điện một chiều . 6
2.2.4.1. Điều chỉnh tốc độ 7
Chương 3: CÁC LINH KIỆN LIÊN QUAN .9
3.1. Vi điều khiển MCS51 . .9
3.1.1. Giới thiệu chung .9
3.1.2. Giới thiệu vi điều khiển AT89x52 .9
3.1.2.1. Sơ đồ chân của AT89x52 11
3.1.2.2. Tổ chức bộ nhớ .13
3.1.2.3. Các bộ định thời/bộ đếm 15
3.1.2.4. Điều khiển ngắt 19
3.1.2.4.1. Khái quát 19
3.1.2.4.2. Xử lý ngắt . 21
3.1.2.4.3. Ứng dụng ngắt . .22
a. Ngắt do bộ định thời . 22
b. Ngắt ngoài 23
3.1.2.5. Hoạt động truyền thông nối tiếp 24
3.2. IC MAX232 và tìm hiểu kết nối máy tính theo chuẩn RS232C. 26
3.2.1. IC MAX232 26
3.2.1. Kết nối máy tính theo chuẩn RS232C 27
3.3. LCD 16x2 . 29
3.3.1. Chức năng các chân . 29
3.3.2. Các thành phần chức năng của LCD16x2 30
3.3.3. Các chế độ truyền dữ liệu và tập lệnh của LCD .30
3.3.4. Nguyên tắc hiển thị ký tự trên LCD .32
3.4. 74LS148 32
3.5. TRANSISTOR H1061 33
Chương 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 35
4.1. Sơ đồ chức năng .35
4.2. Thiết kế chức năng .35
4.2.1. Phần cứng .35
4.2.2. Phần mềm 36
4.3. Thiết kế mạch nguyên lý . .36
4.3.1. Giới thiệu Ocard 36
4.3.2. Module nguồn . 37
4.3.3. Module mạch cầu H . 38
4.3.3.1. Tìm hiểu mạch cầu H .38
4.3.3.2. Tìm hiểu các dạng cấu tạo cơ bản của mạch cầu H thường gặp trong các
mạch điều khiển động cơ DC . 39
4.3.3.3. Module mạch cầu H 39
4.3.4. Module vi điều khiển . 42
4.3.5. Module giao tiếp máy tính - RS232 .43
4.3.6. Module báo hoạt động của động cơ .44
4.3.7. Module đo tốc độ động cơ .44
4.4. Tìm hiểu phương pháp điều rộng xung (PWM) và thiết kế phần
mềm . 45
4.4.1. Tìm hiểu phương pháp điều rộng xung (PWM) 45
4.4.2. Thiết kế phần mềm 46
4.4.2.1. Lưu đồ thuật toán . 46
4.4.2.2. Sơ đồ thuật toán .47
4.4.2.3. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Visual Basic với truyền thông nối
tiếp .49
4.4.2.4. Phần mềm viết chương trình nạp cho vi điều khiển . 49
Chương 5 : ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN .52
5.1. Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả .52
5.1.1. Chạy thử nghiệm .52
5.1.2. Đánh giá kết quả thu được . 53
5.2. Kết luận 53
5.3. Hướng phát triển đề tài . 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 55
PHỤ LỤC . 56


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Điều khiển máy điện là một lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các thiết bị, khí cụ và
sơ đồ điều khiển để phục vụ các nhu cầu thay đổi các đại lượng của chuyển động
như mô men, tốc độ hay điều khiển vị trí tùy theo các yêu cầu phát sinh của mỗi
loại hình sản xuất.
Động cơ một chiều được sử dụng từ lâu trong các hệ truyền động có điều khiển
tốc độ yêu cầu dải điều chỉnh lớn, độ ổn định, tốc độ cao và các hệ thường xuyên
hoạt động ở chế độ khởi động, hãm và đảo chiều.
Một số ứng dụng quan trọng của động cơ điện một chiều như truyền động cho
xe điện, máy công cụ, máy vận chuyển, máy cán, máynghiền, v.v
Chính vì vậy “ Ứng dụng vi điều khiển thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một
chiều” là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao.
1.2. Mục đích thực hiện đề tài
Thiết kế mô hình và xây dựng chương trình để điều động cơ một chiều, hiển thị
quá trình hoạt động của động cơ.
Hiển thị quá trình hoạt động của mô hình lên máy tính thông qua cổng RS232.
1.3. Nội dung đề tài
Với đề tài như trên ta cần hoàn thành các nội dungnhư sau:
- Tìm hiểu sơ lược về động cơ điện một chiều.
- Tìm hiểu về vi điều khiển và các linh kiện liên quan.
- Thiết kế hệ vi điều khiển thực hiện các chức năng sau:
+ Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ một chiều.
+ Hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ một chiều.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch cầu H và áp dụng vào mô hình để điều
chỉnh động cơ.
- Hiển thị quá trình hoạt động của mô hình lên máy tính.
2
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
tiễn.
- Tiếp thu kiến thức và kinh nghiệm từ giáo viên hướng dẫn và những người có
cùng chuyên môn.
- Tham khảo tài liệu từ internet, sách báo liên quan đến những vấn đề cần tìm
hiểu.
1.5. Giải quyết vấn đề
Với đề tài: “Ứng dụng vi điều khiển thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một
chiều’’ta cần thực hiện nội dung đầy đủ theo mô hình sau:



Chương 2
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
2.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi một loại máy quan
trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay
chiều thông dụng.
Do động cơ điện một chiều có ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt,
khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ điện
một chiều được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao điều chỉnh
tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của
nó như so với máy điện xoay chiều như giá thành chếtạo đắt và bảo quản cổ góp
điện phức tạp hơn. Tuy nhiên do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều
vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất.
2.2. Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần
động.
2.2.1. Phần tĩnh hay stato.
Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
a. Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật
điện hay thép cacbon ép lại và tán chặt. Trong độngcơ điện nhỏ có thể dùng
thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ
được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách
điện thành một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặttrên các cực từ. Các cuộn
dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
b. Cực từ phụ: cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùngđể cải thiện đổi
chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thépkhối và trên thân cực từ
4
phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như quấn cực từ chính. Cực từ phụ được
gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.
c. Gông từ: gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Trong động cơ điện nhỏ thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện
lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điệnnhỏ dùng làm vỏ máy.
d. Các bộ phận khác:
Bao gồm:
- Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ thì nắp máy còn
có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng
gang.
- Cơ cấu chổi than: cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi
than nhờ một lo xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi
than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí
chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thìdùng vít cố định lại.
2.2.2. Phần quay hay roto
Bao gồm những bộ phận chính sau:
a. Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện
dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng
điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây
quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còndập những lỗ thông gió để
khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn
nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khehở thông gió. Khi máy làm
việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặtgiá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
5
b. Dây quấn phần ứng: dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và
có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách
điện. Trong máy điện nhỏ có công suất tới vài KW thường dùng dây có tiết diện
tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn
được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp:cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp
mica dày và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hình ốp hình chữ
V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có
cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được
dễ dàng.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế
tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thônggió. Cánh quạt lắp trên trục
máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành
góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió rangoài làm nguội máy.
- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần cứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thường làm bằng thép cacbon tốt.
2.2.3. Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện
một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có
dòng diện. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chiệu lực tác dụng
làm cho roto quay. Chiều lực xác định theo quy tắt bàn tay trái. Nhờ có cổ góp
(vành đổi chiều) mà dòng điện một chiều đưa vào cổ góp sẽ biến thành dòng xoay
chiều trong các thanh dẫn của phản ứng làm cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sđđ E
ư
Chiều sđđ xác
định theo quy tắt bàn tay phải.
Ở động cơ, chiều của sđđ Eư
ngược chiều với dòng điện I
ư
nên E
ư
còn được gọi là
sức phản điện.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]Nguyễn Thị Ngọc Soạn; 2/2009; Bài giảng máy điện và khí cụ điện.
[2]Phạm Sỹ Hiệp; vi xử lý 2.
[3] TS. Nguyễn Mạnh Giang; Cấu trúc – lập trình – ghép nối và ứng dụng vi điềukhiển -tập 1 cấu trúc và lập trình VĐK 8051/8052; Nhà xuấtbản giáo dục.
[4] TS. Nguyễn Mạnh Giang; Cấu trúc – lập trình – ghép nối và ứng dụng vi điềukhiển -tập 2 ghép nối và ứng dụng VĐK 8051/8052; Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.
[5] TS. Nguyễn Viết Nguyên; Giáo trình linh kiện điện tử và ứng dụng ; Nhà xuất bản
giáo dục.
[6] Website: http://www.alldatasheet.com
http://www.google.com.vn
http://www.dientuvietnam.net/forums
http://www.caulacbovb.com/