Luận văn Điều khiển động cơ1 chiều dùng 8051

Luận văn Đề Tài: Điều khiển động cơ 1 chiều dùng 8051 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM LỜI NÓI ĐẦU TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - i - Trong các ngành công nghiệp sản xuất và đời sống, công tác điều khiển vận hành hiệu quả các thiết bị nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như mọi chi phí cho việc trùng tu bảo dưỡng thiết bị sản xuất giữ một vị trí quan trọng. 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 tuỳ 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. Nhờ có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt nên được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Một số ứng dụng quan trọng của động cơ một chiều như truyền động cho xe điện, máy công cụ, máy nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền, .v.v… Truyền động điện tốc độ chiếm phần lớn các ứng dụng của điều khiển đại lượng chuyển động. Trong các loại điều khiển như vậy thường gồm có các động cơ chấp hành, các bộ biến đổi điện tử công suất và các hệ thống điều khiển số. Đương nhiên phải có các bộ lọc nguồn đầu vào đạt tiêu chuẩn lọc nhiễu điện từ. Để thay đổi tốc độ, các động cơ xoay chiều đòi hỏi phải thay đổi biên độ điện áp và tần số trong khi động cơ một chiều thì chỉ cần thay đổi mỗi điện áp một chiều thì bộ chuyển mạch cơ khí của động cơ một chiều làm thay đổi tần số theo. Các động cơ xoay chiều hầu hết không có chổi than, chi phí ban đầu và chi phí bảo dưỡng thấp hơn của động cơ một chiều. Tùy vào các ứng dụng mà việc chọn lựa loại động cơ nào được sử dụng phụ thuộc vào khách hàng. LỜI NÓI ĐẦU - ii - Trong phạm vi luận án này, em xin trình bày vấn đề về điều khiển tốc độ động cơ một chiều dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp độ rộng xung. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và góp ý của các Thầy, các Cô khoa Điện— Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản luận án này. Một lần nữa, em xin cảm ơn Thầy Dương Hoài Nghĩa đã hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình em làm luận án. Do kinh nghiệm và trình độ còn hạn chế, phần thể hiện và trình bày còn nhiều khiếm khuyết. Kính mong quí Thầy cô bỏ qua cho em. Trân trọng kính chào, TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2002 Sinh viên: Trần Xuân Khánh. PHẦN MỤC LỤC - iii - MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................................................ i MỤC LỤC ..................................................................................................................................................... iii PHẦN I GIỚI THIỆU ................................................................................................................ iv Chương 1 CƠ SỞ CHUNG ........................................................................................................... 1 A. KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.................................................................... 2 B. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ......................................... 4 C. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN .............................................. 7 D. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG .............. 8 E. MÔ MEN CẢN......................................................................................................... 9 F. QUY ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ.......................................... 10 G. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN..................................................... 12 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ...................................................... 15 A. CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .................................................. 16 B. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................. 19 C. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC .................................................................................... 31 D. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC .............................................................................. 36 PHẦN II THIẾT KẾ ................................................................................................................. 67 Chương 3 MẠCH PHẦN CỨNG............................................................................................. 68 A. SƠ ĐỒ.................................................................................................................... 69 B. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG BỘ PHẬN................................................................ 71 C. HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ .................................................................................. 77 Chương 4 PHẦN MỀM ASSEMBLER................................................................................ 79 D. GIẢI THUẬT........................................................................................................ 80 E. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG CHƯƠNG TRÌNH CON ......................................... 88 F. CHƯƠNG TRÌNH................................................................................................. 92 Chương 5 PHẦN MỀM VISUAL BASIC .......................................................................... 99 G. NHIỆM VỤ CỦA PHẦN MỀM......................................................................... 102 H. GIẢI THÍCH HOẠT ĐỘNG .............................................................................. 103 I. CHƯƠNG TRÌNH............................................................................................... 104 Chương 6 KẾT QUẢ................................................................................................................... 119 J. MẠCH THI CÔNG............................................................................................. 120 K. GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH ............................................... 121 PHẦN III KẾT LUẬN ................................................................................................................ 122 PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 124 PHẦN V PHỤ LỤC.................................................................................................................... 126 1. GIỚI THIỆU MCS-8051...................................................................................... 127 2. CỔNG NỐI TIẾP................................................................................................. 140 3. GIỚI THIỆU CÁC VI MẠCH SỬ DỤNG VÀ LINH KIỆN KHÁC................. 152 4. GIỚI THIỆU VỀ CHOPPER HAI-PHẦN TƯ , CÁC CHOPPER NHIỀU PHA VÀ CHOPPER THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHOPPER ............ 172 PHẦN I -iv- PHẦN I GIỚI THIỆU Chương 1 CƠ SỞ CHUNG A. KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN B. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN C. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN D. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG E. MÔ MEN CẢN F. QUY ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ G. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU A. CẤU TẠO CƠ BẢN MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU B. ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU C. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC D. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC PHẦN I - CHƯƠNG 1 - 1 - PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 2 - A—KHÁI NIỆM TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Một hệ truyền động là một hệ thống công nghiệp thực hiện biến đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ (ở chế độ động cơ) hay ngược lại ở chế độ hãm máy phát phục vụ việc chạy các quy trình sản xuất khác nhau như là: các nhà máy sản xuất, vận chuyển người và hàng hóa, các đồ dùng trong nhà, các máy bơm, các máy nén khí, truyền động cho ổ đĩa máy tính, các rôbốt, các máy nghe nhạc, xem phim .v.v… Ngày nay, truyền động điện tiêu thụ khoảng 50% năng lượng điện sản xuất được. Các hệ truyền động có thể chạy thay đổi tốc độ hoặc chạy với tốc độ không đổi. Động cơ xoay chiều Ghép nối đàn hồi Máy sản xuất (Phụ tải) Hệ thống bảo vệ và khởi động/dừng bằng cơ-điện hoặc điện tử. 3 pha Hình 1.1 Truyền động tốc độ hằng. PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 3 - Truyền động điện tốc độ thay đổi có động cơ điện (dòng điện xoay chiều), bộ ghép nối đàn hồi, tải cơ khí (máy sản xuất) và hệ thống bảo vệ và đóng / mở bằng cơ điện hay điện tử. Ngày nay gần (75-80)% truyền động điện vẫn còn là loại truyền động ở tốc độ không đổi vì không có nhiều ứng dụng yêu cầu đến điều khiển tốc độ ngoại trừ trường hợp lúc khởi động, ngừng và trong hoạt động bảo vệ. Tuy nhiên còn khoảng (20-25)% cần đến điều khiển tốc độ và mô men sao cho thích hợp với phụ tải cơ khí. Các bộ biến đổi điện tử tỏ ra có nhiều đặc trưng mạnh trong việc thay đổi và duy trì mức năng lượng cung cấp thích hợp với loại phụ tải cần đến điều khiển tốc độ hay mômen như : máy công cụ, rôbốt, truyền động cho đĩa máy tính, các phương tiện chuyên chở, v.v… Về cấu trúc, một hệ thống truyền động điện nói chung, bao gồm các khâu: Động cơ xoay chiều Ghép nối đàn hồi Máy sản xuất (Phụ tải) Hệ thống bảo vệ và đóng / mở bằng cơ-điện hoặc điện tử. 3 pha Hệ thống bộ biến đổi nguồn điện tử Hình 1.2 Truyền động tốc độ thay đổi Ghép nối đàn hồi Máy sản xuất (Phụ tải) 1 pha Động cơ một chiều Hệ thống bảo vệ và bộ cầu dao cơ điện. PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 4 - 1. Bộ biến đổi: dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số,v.v…. Các bộ biến đổi thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát—động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu có điều khiển và không điều khiển, các bộ biến tần,v.v…. 2. Động cơ điện: dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện). Các động cơ điện thường dùng là: − Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ rotor lồng sóc hay dây quấn; − Động cơ điện một chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu; − Động cơ điện xoay chiều ba pha có cổ góp; − Động cơ đồng bộ… 3. Khâu truyền lực: dùng để truyền lực từ trục động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, mô men, lực. Để truyền lực có thể dùng các bánh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ghép nối đàn hồi…. 4. Cơ cấu sản xuất hay máy sản xuất: thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng—hạ tải trọng, dịch chuyển…) 5. Khối điều khiển: là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi, động cơ điện, cơ cấu truyền lực. Sử dụng trong khối này có thể là các khí cụ đóng cắt mạch có tiếp điểm (các relay, contactor) hay không có tiếp điểm (điện tử, bán dẫn), các bộ khuyếch đại, các bộ điều chỉnh (regulator), các máy tính, các bộ vi xử lí (microprocessor), các bộ điều chỉnh theo chương trình, CPU, PLC, CNC…. Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang…. Một hệ thống truyền động điện không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu như đã nêu. Tuy nhiên, một hệ truyền động điện bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính: − Phần lực: bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện. − Phần điều khiển. Một hệ truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, được gọi là hệ kín khi có phản hồi nghĩa là đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt một giá trị mong muốn nào đó. B—PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Một sơ đồ tóm tắt chỉ ra các ứng dụng chủ yếu và giới hạn công suất các dạng truyền động điện chính như sau: PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 5 - Các ứng dụng như bơm trữ cho nhà máy thuỷ điện bằng các tổ máy được chế tạo có công suất 100MW hoặc hơn nữa. Mức độ vận hành cao trong hình 3, có ý nghĩa rằng hệ thống truyền động này đòi hỏi phải đạt được đáp ứng tốc độ hay điều khiển vị trí một cách nhanh chóng, chính xác và phạm vi điều chỉnh rộng. Cùng với sự phát triển của lĩnh vực điện tử, các bộ biến đổi điện tử công suất, đã tạo một sự chuyển dịch lớn trong thị trường truyền động. Các động cơ một chiều có chổi than tốc độ thay đổi được sử dụng từ nhiều thập kỷ trước nhưng tới nay các động cơ loại xoay chiều với nhiều ưu điểm của mình đang thay thế dần cho nó. Các bộ truyền động động cơ xoay chiều và bộ biến đổi điện tử tỏ ra bền, rẻ hơn và khả năng vận hành tương đương, đặc biệt là các ứng dụng điều khiển chuyển động có tính thuận nghịch. Công suất (kW) 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 Trung bình Cao Mức độ yêu cầu của vận hành Máy bơm nhà máy thuỷ điện Nhà máy xay xát, xi măng. Máy li tâm Các máy bơm Quạt Máy trộn, băng tải Lò nhiệt, bốc hơi, Các máy điều hòa nhiệt độ. Các máy làm giấy Chuyên chở Cần cẩu Xử lý luyện kim Thang máy Máy in Máy dệt Máy đóng hộp Rôbốt Máy công cụ Hình 1.3 Các ứng dụng truyền động có tốc độ thay đổi. PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 6 - Các bộ biến đổi điện tử công suất dành cho các loại động cơ một chiều có chổi than hoặc không chổi than cũng được nghiên cứu và đưa ra cho các ứng dụng với giá cả hợp lý. Mức chi phí cho bộ biến đổi điện tử công suất thường luôn cao hơn chi phí của động cơ khoảng từ hai đến năm lần, nói chung thì giới hạn công suất của hệ truyền động càng lớn thì sự chênh lệch giá giữa hai thành phần này giảm hơn. Lý do của việc dùng bộ biến đổi điện tử công suất cho dù giá của nó lớn hơn của động cơ vì trong hầu hết các ứng dụng có tính lâu dài việc tiết kiệm được năng lượng sản xuất giúp thu hồi khoảng chi phí thêm cho bộ biến đổi điện tử công suất, giả sử định mức công suất sử dụng khoảng hơn 10kW, nếu xem mức tiết kiệm năng lượng có được nhờ sử dụng bộ biến đổi chỉ 25%, phạm vi điều chỉnh tốc độ chừng một đến ba lần và hoạt động liên tục 24/24 giờ/ngày thì khoảng thời gian thu hồi vốn chừng chưa tới năm năm. Giới hạn sử dụng công suất càng lớn thì thời gian quay vòng vốn càng nhanh do việc tiết kiệm năng lượng tỏ ra càng hiệu quả. Các tính toán chi tiết xin xem chi tiết trong tài liệu chuyên đề. Vai trò của hệ truyền động trong thực tế là điều khiển mô men động cơ phù hợp với mômen tải và với lưới điện nguồn cung cấp khi xác lập. Các quan hệ của mô men tải cóthể được diễn đạt bằng một trong các quan hệ sau :
Mô men / tốc độ quy về đầu trục động cơ; năm 1990 năm 1995 năm 2000 d.c. a.c. 40% 60% d.c. a.c. 30% 70% d.c. a.c. 25% 75% Hình 1.4 Sự thay đổi của thị trường truyền động. PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 7 -
Hay mô men / thời gian và Tốc độ / thời gian;
Hay quan hệ vị trí / thời gian. Còn quá trình quá độ, bộ truyền động thể hiện vai trò nó bằng cách điều khiển vòng kín, trong đó tín hiệu đầu ra được đưa trở lại tín hiệu đầu vào so sánh với tín hiệu đặt và lấy sai lệch làm tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi…nhằm duy trì đầu ra theo yêu cầu. C—PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Có nhiều phân loại hệ truyền động điện: 1) Phân loại theo số lượng động cơ sử dụng: chia ra 3 loại − Truyền động nhóm: dùng một động cơ điện để kéo một nhóm gồm nhiều máy sản xuất. − Truyền động đơn: dùng một động cơ điện để kéo toàn bộ một máy. − Truyền động nhiều động cơ: trường hợp này máy sản xuất có các chuyển động thành phần của nó do một động cơ riêng đảm nhận. Hình thức này được sử dụng khá phổ biến. 2) Phân loại theo đặc điểm chuyển động : − Chuyển động quay; − Chuyển động thẳng. 3) Phân loại theo chế độ làm việc: − Làm việc liên tục; − Làm việc gián đoạn. 4) Phân loại theo chiều quay động cơ: − Truyền động có đảo chiều; − Truyền động không đảo chiều. 5) Phân loại theo dòng điện: − Truyền động điện xoay chiều: dùng động cơ điện xoay chiều; − Truyền động điện một chiều: dùng động cơ điện một chiều. 6) Phân loại dựa theo sự thay đổi thông số điện: − Truyền động không điều chỉnh: nối thẳng động cơ vào nguồn và kéo máy sản xuất với một tốc độ không đổi. Thay đổi xuất hiện chỉ là do nhiễu từ bên ngoài; − Truyền động có điều chỉnh: công nghệ quy trình sản xuất đòi hỏi phải có điều chỉnh tốc độ, vị trí hay mômen. Thông số điện của hệ thay đổi được nhờ các thiết bị điều khiển. 7) Phân loại theo thiết bị biến đổi: − Hệ máy phát—động cơ: (ký hiệu: F-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ một máy phát điện một chiều (bộ biến đổi ở đây là máy phát). PHẦN I - CHƯƠNG 1 TÀI LIỆU ĐƯỢC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 8 - − Thuộc hệ truyền động này có hệ máy điện khuyếch đại—động cơ (ký hiệu: MĐKĐ-Đ). Trong đó, bộ biến đổi ở đây là MĐKĐ; − Hệ chỉnh lưu—động cơ: (ký hiệu: BCL-Đ), động cơ một chiều được cấp điện từ một bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu diode) hay có điều khiển (chỉnh lưu Thyristor: hệ T-Đ).v.v…. D—PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. Hệ thống chuyển động tịnh tiến: Theo định luật II Newton, nếu xem khối lượng vật chuyển động là không đổi, ta có phương trìn