Đồ án Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ dây quấn bằng đưa điện trở vào roto liên tục

Nội dung text: Đồ án Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ dị bộ dây quấn bằng đưa điện trở vào roto liên tục

1. LỜI MỞ ĐẦU Trong quá trình sản xuất, truyền động điện là một trong những khâu quan trọng để tạo ra năng suất lao động lớn. Điều đó càng đƣợc thể hiện rõ nét trong các dây truyền sản xuất, trong các công trình xây dựng hiện đại, truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động và chất lƣợng sản phẩm. vì thế các hệ thống truyền động điện luôn đƣợc quan tâm nghiên cứu để nâng cao chất lƣợng sản phẩm. Khi nói đến truyền động điện thì ngƣời ta quan tâm nhất đó là động cơ điện và việc điều khiển động cơ điện một cách chính xác và đạt kết quả nhƣ mong muốn. Do có nhiều ƣu điểm cả về kinh tế lẫn kỹ thuật nên động cơ không động bộ ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến trong nền kinh tế quốc dân cũng nhƣ đời sống hàng ngày. Vì vậy việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng. Trong quá trình học tập chúng em đã đƣợc học, nghiên cứu nhiều phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ và trong phạm vi đồ án tốt nghiệp em chỉ đi sâu nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển cho động cơ không động bộ rôto dây quấn bằng phƣơng pháp đƣa liên tục điện trở vào mạch roto. Dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với đề tài “XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ DÂY QUẤN BẰNG ĐƢA ĐIỆN TRỞ VÀO ROTO LIÊN TỤC” Do thời gian và hiểu biết thực tế còn hạn chế nên trong quá trình thiết kế còn có những sai sót nhất định, em mong đƣợc sự giúp đỡ chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn để em hoàn thành tốt nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng ngày 17/4/2014 Sinh viên Nguyễn Văn Năm 1
2. CHƢƠNG 1. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ (KĐB). 1.1.1. Khái quát về máy điện KĐB. Động cơ xoay chiều KĐB đƣợc sử dụng nhiều nhất trong thực tế hiện nay nhờ các ƣu điểm: Đơn giản về cấu tạo, nhỏ gọn, hoạt động tin cậy, giá thành rẻ và chi phí vận hành thấp. Hơn nữa nó có thể đấu trực tiếp vào lƣới điện xoay chiều ba pha mà không cần qua một thiết bị biến đổi nào. Có hai loại động cơ KĐB : + Động cơ KĐB rôto dây quấn. + Động cơ KĐB rôto lồng sóc. Hình 1.1: Ký hiệu động cơ KĐB 1.1.2. Đặc tính cơ của động cơ KĐB. Theo điều kiện cân bằng công suất trong động cơ, nếu gọi: -Công suất điện từ chuyển từ stato vào rôto là P12. -Công suất cơ đƣa ra trên trục động cơ là Pcơ. -Công suất tổn thất trên động cơ là P. 2
3. Ta có P12=Pcơ+ P. Trong đó: P12=Mdt. 0 . Pcơ=M. . Khi coi động cơ và lƣới điện là lý tƣởng: tức là coi các thông số dây quấn nhƣ điện trở, điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất trong lõi thép và tổn thất do ma sát thì mômen cơ bằng mômen điện từ còn tổn hao công suất khi ấy chỉ xét đến tổn hao đồng do rôto gây ra bên trên điện trở mạch rôto, tức là: 2 Mđt M và P= P2=3.I2’ .R2’. Trong đó: I2’: Dòng rôto đã quy đổi về stato. R2’: Điện trở Rôto đã quy đổi về stato. U I ' 1 2 (1). R ' (R 2 ) 2 X 2 1 s nm Trong đó: Xnm=X1+X2’ : Điện kháng ngắn mạch của động cơ. U1: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato. R1, X1: Điện trở tác dụng và điện kháng stato. R2’,X2’: Điện trở tác dụng và điện kháng rôto đã quy đổi về stato. s: Hệ số trƣợt. Theo biểu thức P12=Pcơ+ P 2 ’ 2 Ta có: M 0=M +3.I2’ .R2 M. 0 =3.I2’ .R2’ 0 2 M. 0 . = 3.I2’ .R2’. 0 3.I '2 .R' Thay s= 0 vào biểu thức trên ta có: M= 2 2 (2). 0 0 .s ' 2 R2 3.U1 . Thay I ’ từ biểu thức (1) vào (2) ta có: M= s (3). 2 2 R ' R 2 X 2 0 1 s nm 3
4. Đây là phƣơng trinh đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, cho s các giá trị khác nhau, tức là ứng với mỗi giá trị tốc độ 0 (1 s) ta có các giá trị mômen M tƣơng ứng, từ đó ta có đặc tính cơ cua đông cơ KĐB nhƣ sau: 0 đm Hình 1.2: Đặc tính cơ của động cơ KĐB. Các điểm cực trị của đƣờng cong đặc tính cơ trên gọi là điểm tơi hạn ứng với các tọa độ: ' R2 -Độ trựơt tới hạn: sth= . 2 2 R1 X nm 2 3U1 -Mômen tới hạn: Mth= . 2 2 2 0 R1 R1 X nm Nếu biểu diễn phƣơng trinh (3) thông qua độ trƣợt tới hạn và mômen tới hạn ta có dạng phƣơng trình đặc tính cơ thông dụng dạng Closs nhƣ sau: 2M th 1 a.sth R1 M= Trong đó a= ' . s sth R2 a.sth sth s Đặc tính cơ trên cho thấy quan hệ giữa tốc độ động cơ và mômen đƣợc chia làm 2 đoạn: 4
5. -Đoạn 1 từ điểm không tải lý tƣởng (s=0, 0 ) đến điểm tới hạn (s=sth) gọi là đoạn công tác có độ cứng 0 , động cơ chỉ làm việc xác lập trên đoạn này. -Đoạn 2 từ tới hạn tới điểm ngắn mạch (s=1, =0) có độ cứng 0 và chỉ tồn tại trong quá trình khởi động hoặc quá độ. Kết luận: Sự phát triển của kỹ thuật điện tử là cho việc điều khiển động cơ dị bộ đƣợc dễ dàng và có nhiều ƣu điểm nhƣ: hệ thống điều khiển đơn giản, giá thành rẻ vì vậy mà việc nghiên cứu về động cơ dị bộ và vô cùng quan trọng. 5
6. CHƢƠNG 2. CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 2.1. Các nguyên tắc điều chỉnh tốc độ. Thay = 2. . f với f là tần số dòng điện trong stato, p số đôi cực của 0 p động cơ. và Xnm=X1+X2’ vào biểu thức (3) ta có : ' 2 R2 3.U1 . M= s (4). ' 2 2 f R 2 R 2 X X ' p 1 s 1 2 Từ phƣơng trình trên cho thấy ta có thể điều khiển đƣợc động cơ KĐB bằng cách tác động vào các thông số: Điện trở, điện kháng mạch rôto R2, X2; điện áp stato U1; điện trở và điện kháng stato R1 ,X1; tần số dòng điện stato f; và số đôi cừc p. Ngoài các phƣơng pháp tác động vào các thông số trên ngƣời ta còn điều khiển động cơ KĐB bằng các sơ đồ đặc biệt để điều khiển động cơ thông qua điều chỉnh công suất trƣợt trong mạch rôto, đó là các sơ đồ tầng. Ta sẽ lần lƣợt khảo sát các phƣơng pháp trên: 2.1.1. Điều khiển động cơ bằng điện áp stato. Theo biểu thức (4) cho thấy sự ảnh hƣởng của điện áp stato U1 đến các thông số đầu ra của động cơ. Do vậy có thể điều khiển động cơ thông qua điện áp stato U1. Việc điều khiển đƣợc thực hiện sử dụng một bộ nguồn có điện áp ra thay đổi (U1=var) để cung cấp cho stato của động cơ: Sơ đồ: 6
7. Hình 2.1: Sơ đồ và họ đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện áp stato. Do dòng điện động cơ tỷ lệ với bình phƣơng của điện áp U, độ trƣợt tới hạn sth không thay đổi theo điện áp. 2 Inm U1. Mnm U1 . 2 Mth U1 . sth const. Nhƣ vậy ta có đặc tính cơ khi thay đổi điện áp stato nhƣ trên. Việc điều khiển đối với động cơ KĐB rôto dây quấn và rôto lồng sóc có khác nhau. -Đối với động cơ KĐB rôto lồng sóc: Do độ trƣợt tới hạn nhỏ,nên phần công tác trên các đặc tính điều chỉnh ngắn dẫn đến hiệu quả điều chỉnh tốc độ không cao. Do đó áp dụng phƣơng pháp thƣờng áp dụng phƣơng pháp này cho điều chỉnh mômen và dòng điện khởi động. -Đối với động cơ rôto dây quấn. Ngƣời ta thƣờng đƣa thêm một bộ điện trở cố điịnh và ba pha của rôto để làm tăng thêm độ trƣợt tới hạn của động cơ, do đó mở rộng đƣợc vùng điều chỉnh, tăng hiệu quả của điều chỉnh động cơ, do đó phƣơng pháp này đƣợc áp dụng để điều chỉnh tốc độ. 2.1.2. Điều khiển động cơ KĐB bằng biến đổi tần số. Việc điều khiển đông cơ KĐB bằng biến đổi tần số đƣợc dùng rộng rãi do tạo ra cho động cơ KĐB khả năng điều chỉnh các thông số đầu ra vƣợt trội. Phƣơng pháp này cho phép điều chỉnh cả mômen và tốc độ động cơ với chất lƣợng cao. Sơ đồ khái quát của hệ bao gồm bộ nguồn biến tần có khả năng điều chỉnh, biến đổi tần số và điện áp hoặc dòng điện cấp cho stato của động cơ và một khối điều khiển dùng để xử lý các tín hiệu điều khiển hệ thống. 1 0 dm 2 7
8. Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý và đặc tính nhân tạokhi biến đổi tấn số Ƣu điểm của phƣơng pháp: Các đặc tính nhân tạo có thể thấp hơn nếu f fđm, tức là tốc độ làm việc nlv có thể lớn hơặc nhỏ hơn tốc độ định mức nđm Phƣơng pháp này ứng dụng nhiều trong các hệ truyền động tự động hiện đại dung động cơ KĐB. 2.1.3. Điều khiển động cơ KĐB bằng thay đổi số đôi cực p. 2. . f Xuất phát từ các biểu thức 1 và .(1 s) 0 p 0 Ta thấy khi thay đổi số đôi cực p thì tốc độ 0 , do đó tốc độ rôto động cơ thay đổi. Để sử dụng phƣơng pháp này ngƣời ta chế tao hai loại động cơ có khả năng thay đổi số đôi cực. -Loại có hai bộ dây quấn stato riêng biệt, mỗi bộ có một số đôi cực riêng biệt. -Loại có một bộ dây quấn nhƣng mỗi pha đều chia làm 2 phân đoạn, khi đổi nối ta sẽ có các số đôi cực khác nhau. 02 01 Hình 2.3: Họ đặc tính cơ khi thay đổi p 8
9. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp : -Vì p chỉ có thể thay đổi theo các số tự nhiên do đó tốc độ thay đổi nhảy cấp. -Phƣơng pháp này không kinh tế. 2.1.4. Điều khiển động cơ KĐB bằng điện trở và điện kháng phụ mạch stato. Về nguyên lý, điện trở phụ stato Rf1 và điện kháng phụ stato Xf1 đều có ảnh hƣởng đến đặc tính cơ của động cơ KĐB. Tuy nhiên do hạn chế của dạng đặc tính và chỉ tiêu chất lƣợng thấp, do đó ít đƣợc sử dụng trong điều chỉnh tốc độ. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính điều chỉnh. Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính cơ. Đối với động cơ KĐB rôto lồng sóc có công suất trung bình và lớn, để hạn chế dòng điện khởi động, ngƣời ta mắc thêm điện trở phụ hoặc điện kháng phụ vào stato. 2.1.5. Điều khiển động cơ KĐB bằng sơ đồ tầng. Nhƣ đã trình bày, khi động cơ làm việc ở tốc độ tƣơng ứng với tốc độ trƣợt s nào đó, công suất lấy từ lƣới điện sau khi chuyển thành công suất điện từ P12=Mđt. 0 chia làm 2 phần chính: Công suất cơ Pcơ=M. và công suất trƣợt P=P12.s chuyển vào mạch rôto. 9
10. Giả thiết bỏ qua các tổn thất trên các dây quấn, trên lõi thép và ma sát trên ổ trục ta có: P12=Pcơ+ Ps. Đối với các hệ thống điều khiển đã xét ở trên,Công suất tiêu tán Ps tỷ lệ với hệ số trƣợt s. Điều chỉnh càng sâu độ trƣợt càng lớn, tổn thất càng lớn dẫn đến chỉ tiêu năng lƣợng càng thấp. Do vậy, đối với các động cơ KĐB rôto dây quấn công suất lớn có Ps lớn ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp điều khiển theo sơ đồ tầng nhằm mục đích sử dụng có ích công suất trƣợt khi điều chỉnh tốc độ động cơ. Để thực hiện đƣợc ý tƣởng trên ngƣời ta đƣa vào mạch rôto một thiết bị biến đổi để tiếp nhận năng lƣợng Ps rồi biến đổi nó thành cơ năng bổ xung vào trục của động cơ cùng máy sản xuất hoặc thành điện năng có tần số bằng tần số lƣới điện và trả về lƣới. a b Hình 2.5: Sơ đồ khối năng lƣợng trong các sơ đồ tầng: a, tầng điện cơ; b, tầng điện 2.1.6. Điều khiển động cơ bằng điện trở phụ trong mạch rôto Rf. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho động cơ KĐB rôto dây quấn thông qua việc sử dụng điện trở phụ Rf mạch rôto. Sơ đồ nguyên lý: 10
11. 0 Hình 2.6: Sơ đồ và đặc tính nhân tạo khi thay đổi điện trở phụ rôto Với phƣơng pháp này ta có mômen tới hạn của động cơ: 2 3.U1 Mth =const. 2 0 .X nm Tốc độ không tải lý tƣởng: 2. . f =const. 0 p R2t Độ trƣợt tới hạn: sth= R 2t . X nm Trong đó: R2t=R2+Rf là điện trở tổng trong mạch rôto. Khi tăng điện trở phụ Rf khiến cho độ trƣợt tới hạn sth tăng khiến cho độ cứng đặc tính cơ giảm do đó điều chỉnh đƣợc tốc độ làm việc và mômen ngắn mạch của động cơ. Để tăng chất lƣợng điều chỉnh tốc độ, ngƣời ta dùng loại biến trở xung là loại biến trở tự động có thể điểu khiển nhờ khóa đóng cắt bằng linh kiện điện tử. Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ sử dụng cho điều khiển rôto dây quấn. Trên h.2.7 biểu diễn đặc tính cơ của động cơ dây quấn, khi điện trở phụ trong mạch rô to thay đổi. Việc điều chỉnh điện trở phụ, có thể thực hiện ở mạch dòng xoay chiều hay ở mạch dòng một chiều. Thay đổi điện trở ở mạch dòng một chiều, chỉ thực hiện đƣợc khi bộ chỉnh lƣu nối trực tiếp với vành trƣợt của rô to. 11
12. Trong thực tế ngƣời ta sử dụng bộ điều chỉnh xung điện trở bằng hệ thống ngắt xung dòng một chiều: Trên hình 2.8 biểu diễn một hệ thống điều chỉnh xung điện trở mạch rô to. Điện trở phụ có thể mắc song song, hoặc nối tiếp với bộ ngắt mạch một chiều. Nếu bộ ngắt mạch ti-ri-sto mắc song song với điện trở, thì điện trở tƣơng đƣ ơng biểu diễn bằng biểu thức Hình 2.7: Đặc tính cơ của động cơ sau: dây quấn thay đổi điện trở rô to T1 T1 Rz = R = R(2.1) T1 T2 T trong đó T1 -thời gian bộ ngắt mạch không làm việc, T2 - thời gian bộ ngắt mạch dẫn dòng, T1+T2 -chu kỳ làm việc của bộ ngắt mạch, - hệ số điều biên 0 1. Từ (2.1) ta thấy rằng, điện trở tƣơng đƣơng Rz phụ thuộc vào hệ số và biến thiên từ 0 tới R. Khi mắc nối tiếp điện trở với bộ ngắt mạch, điện trở R thay đổi theo biểu thức sau: R R R Rz = (2.2) T1 /(T1 T2 ) T1 / T Trong đó (0 .1). 12
13. + + Ld BĐ L d R Ud b) a) Ud R - - Ld L1 L2 Rp R1 D1 T Tp1 D2 Up + - c) C TP2 Hình 2.8 : Đ iều chỉnh xung đ iện áp a)hệ thống nố i song song, b)hệ thống mắc nối tiếp c)hệ thống song song nhƣng có mạch ngắt ti-ri-sto Ở hệ thống mắc nối tiếp, điện trở Rz thay đổi từ R tới vô cùng, phụ thuộc vào hệ số . Trong thực tế tần số điều biên có giá trị dao động từ 200 đến 1000Hz. Giới hạn trên của tần số là do thời gian trung hòa của ti-ri-sto. Trên h.2.8c biểu diễn sơ đồ bộ điều chỉnh xung một nấc điện trở (R1) nối vào mạch rô to động cơ dây quấn qua mạch một chiều. Ti-ri-sto T ngắt điện trở hoặc nối điện trở vào mạch. Bộ ngắt mạch ti-ri- sto T đƣợc nối ở một nguồn độc lập Up. Để ngắt ti-ri-sto T ta mở T1p . Nếu tụ đƣợc nạp điện có cực tính nhƣ hình vẽ (phía trái dấu +, phải dấu -) thì sau khi mở T1p, tụ sẽ phóng điện trong mạch T1p-C-D1-L1 và T bị ngắt vì điện áp trên điôt có cực ngƣợc. Cảm kháng L1 dùng để hạn chế độ tăng dòng trong T1p, ti-ri-sto phụ T2p đƣợc mở cùng với T. Sau khi mở T và T2p, tụ điện nạp qua mạch Up-Rp-L2-T-C-T2p. 13
14. Điện trở Rp dùng để giới hạn dòng điện nhận từ nguồn phụ Up. Sau khi nạp tụ, T2p tự ngắt. Ảnh hƣởng của điện trở tƣơng đƣơng Rz lên điện trở của rô to có thể xác định trên cơ sở công suất của mạch rô to P2. 2 2 2 P2 =3(Rr+Rzf)I2 =3RrI2 +RzId (2.3) trong đó Rzf -là điện trở ngoài nối với mỗi pha, Rr - điện trở rô to, I2- giá trị hiệu dụng dòng rô to, Id - dòng chỉnh lƣu (id Id). Từ (2.3) ta nhận đƣợc mối liên hệ sau: 2 I 2 Rz = 3Rzf 2 (2.4) I d Khi dùng cầu chỉnh lƣu 3 pha, tỷ số giá trị hiệu dụng dòng pha với 2 giá trị trung bình của dòng chỉnh lƣu (id=Id) là do đó: 3 Rz = 2Rzf(2.5) Độ trƣợt tƣơng đƣơng khi có Rz nhƣ sau: Rr Rz / 2 2Rr Rz sz =s = s (2.6) Rr 2Rr hoặc lƣu ý rằng Rz= R ta có: 2Rr R sz =s (2.7) 2Rr Trong các biểu thức trên, s là độ trƣợt của động cơ khi vành trƣợt bị ngắn mạch. Trên h.2.9 biểu diễn sơ đồ hệ thống truyền động điện, động cơ dị bộ rô to dây quấn, điều chỉnh điện trở đƣa vào mạch rô to, bằng các bộ ngắt mạch ti-ri-sto. Hệ thống gồm một chỉnh lƣu cầu 3 pha có cuộn kháng làm phẳng điện áp ra và 3 điện trở R1, R2, R3 đƣợc điều khiển bằng xung. Trong hệ thống sử dụng 2 bộ điều chỉnh: bộ điều chỉnh tốc độ 6 và bộ điều chỉnh dòng điện rô to 7. Hai bộ này nối song song với nhau. Máy phát tốc 2 đo tốc độ góc của động cơ. Cảm biến dòng một chiều 4 đo dòng điện. Bộ điều tốc PID tác động lên khối điều khiển các ti-ri-sto T1, T2, T3 (khối 2). 14
15. A B C 1 2 R S T 3 L d T1 R1 5 6 m PI R2 T2 mz - Irz T3 R3 PI I 4 r 7 Hình 2.9: TĐĐ động cơ dây quấn với 3 mức điện trở điều chỉnh bằng xung Nhƣ đã phân tích ở phần đặc tính cơ ĐCKĐB, có thể điều chỉnh đƣợc tốc độ ĐCKĐB bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto, trong phần này khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng các van bán dẫn, ƣu thế của phƣơng pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rôto động cơ không đồng bộ: Rr = Rrd +Rf Trong đó: Rrd: điện trở dây cuốn rôto. Rf: điện trở ngoài mắc thêm vào mạch rôto. Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trƣợt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của KĐB, tức là đoạn có độ trƣợt từ s = 0 đến s = sth, là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết. 15
16. Rr s si , M = const (2-8) Rrd Trong đó: s - độ trƣợt khi điện trở mạch rôto là Rr. Si - độ trƣợt khi điện trở mạch rôto là Rrd. 3I 2 R Mà ta lại có: M r r r s Thay (2-8) vào ta đƣợc biểu thức tính mômen: 3I 2 R M r rd (2-9) si Nếu giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụthuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phƣơng pháp điều chỉnh điện trở mạch rôto cho truyền động cómômen tải không đổi. Trên H.2.9, trình bày sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng phƣơng pháp xung. Điện áp ur đƣợc chỉnh lƣu bởi cầu điôt CL, qua điện kháng lcọ L đƣợc cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R0 nối song song với khoá bán dẫn T. Khoá T sẽ đƣợc đóng, ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch. Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Ban đầu khi cấp điện cho động cơ, điện trở R đóng vai trò là điện trở khởi động nhằm tránh sụt áp lƣới cũng nhƣ giảm nhiệt sinh ra trong động cơ. Sau quá trình khởi động là quá trình thực hiện điều khiển tốc độ, 3 van bán dẫn T sẽ lần lƣợt cắt giảm điện trở ra khỏi mạch theo nguyên tắc từng van 1 dẫn, van nào dẫn để cắt điện trở mắc song song với van đó. Bằng việc điều khiển các van nhƣ vậy mà điện trở mạch roto đƣợc thay đổi 1 cách vô cấp vì vậy mà tốc độ động cơ đƣợc thay đổi trơn cũng nhƣ dải điều chỉnh rộng. Để cho hệ thống làm việc với tốc độ ổn định thì ta sử dụng thêm 2 vòng phản hồi: phản hồi âm tốc độ và phản hồi dƣơng dòng điện điều khiển theo luật PID 16
17. Hoạt động của khoá bán dẫn tƣơng tự nhƣ trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều. Khi khoá T đóng, điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên, khi khoá T ngắt điện trở R0 lại đƣợc đƣa vào mạch, dòng điện rôto giảm. Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi nhƣ không đổi và ta có một giá trị điện trở tƣơng đƣơng Re trong mạch. Thời gia ngắt tn = T – td nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đóng td và thời gian ngắt tn ta điều chỉnh trơn đƣợc giá trị điện trở trong mạch rôto. td td Re R0 R0 R0 (2-10) td tn T Điện trở tƣơng đƣơng Re trong mạch một chiều đƣợc tính đổi về mạch xoay chiều ba pha ở rôto theo quy tắc bảo toàn công suất. Tổn hao trong mạch rôto nối theo sơ đồ H.3.1 là 2 P Td (2Rrd R0 ) (2-11) Và tổn hao khi mạch rôto nối theo sơ đồ H.3.1 là: 2 P 3I r (Rrd R f ) Cơ sở để tính đổi là tổn hao công suất nhƣ nhau, nên 2 2 P 3I r (Rrd R f ) I d (2Rrd Re ) 2 2 với sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha thì Id = 1,5Ir nên. 1 R R R 0 f 2 e 2 Khi đã có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng đƣợc đặc tính cơ theo phƣơng pháp thông thƣờng, họ các đặc tính cơ này quét kín phâng mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf = Ro/2 Để mở rộng phạm vi điều chỉnh mômen có thể mắc nối tiếp với điện trở Ro một tụ điện dung đủ lớn. Việc xây dựng các mạch phản hồi điều chỉnh tốc độ và dòng điện rôto đƣợc tiến hành tƣơng tự nhƣ hệ điều chỉnh điện áp. Kết luận: Việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB rôto dây quấn bằng phƣơng pháp xung điện trở mạch rôto là tối ƣu hơn cả. Điều chỉnh tốc độ 17
18. bằng phƣơng pháp này đảm bảo tính đối xứng với 3 pha rôto thỏa mãn yêu cầu điều chỉnh vô cấp và khoảng điều chỉnh rộng có thể tạo ra đặc tính cơ mong muốn . Hơn nữa phƣơng pháp này phù hợp với những hệ truyền động có mômen cản không đổi. Đặc biệt tính ƣu việt của phƣơng pháp xung điện trở mạch rôto là thay đổi điện trở mạch rôto thông qua việc đóng_cắt IGBT một cách tự động nên phƣơng pháp này tự động hoá . Đây cũng là một trong những chỉ tiêu quan trọng của hệ điều chỉnh trong thời đại ngày nay. 18
19. CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BẰNG ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTO LIÊN TỤC 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống HT Dat toc do Mach DK KÐ IGBT ÐT Do toc do Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện trở roto Trong đó: + Mach DK: là bộ xử lý trung tâm nhận và xử lý tín hiệu + Dat toc do: Khối giao tiếp ngƣời dùng để đặt tốc độ động cơ mong muốn. + HT: Hệ thống hiển thị tốc độ động cơ + KĐ: Bộ khuếch đại xung để xung điều khiển có giá trị và biên độ đủ lớn điều khiển IGBT + ĐT: Đối tƣợng điều khiển ở đây là điện trở phụ mạch roto động cơ. 3.2. Thiết kế hệ thống 3.2.1. Tính chọn mạch động lực Do ƣu điểm của IGBT so với Thyristor là điều khiển dễ dàng nên ta chọn mạch động lực nhƣ hình 3.2 19
20. Hình 3.2: Mạch động lực Các thông số của động cơ KĐB rôto dây quấn : Pdm = 4 kW . ωdm = 98 1/s . I1dm = 7,3A . I0 = 5 A . I2dm = 6,3 A . E20 = 225 V . R2’ = 1,836 Ω. X2’ = 2,67 Ω. Để tính chọn các phần tử của mạch lực trƣớc hết dựa vào các yêu cầu mà hệ truyền động cần đảm bảo . -Có khả năng thay đổi độ rộng xung điện trở trong một khoảng rộng để có thể điều chỉnh sâu tốc độ thông thƣờng độ rộng xung từ (0,05÷0,95). 20
21. -Làm việc ổn định ở những vùng có độ trƣợt nhỏ . -Làm việc với tần số truyền mạch cao đến 2000 Hz . 3.2.1.1. Chọn Aptomat : Aptomat khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện , để bảo vệ quá tải và ngắn mạch . Ta chọn Aptomat theo dòng định mức . Theo PLIV.5 trang 286 sách “ thiết kế cung cấp điện ”. Của tác giả Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tẩm. Ta chọn Aptomat kiểu EA10-G do Nhật chế tạo, có các thông số kỹ thuật sau. - Số cực 3 . - Điện áp định mức Udm = 380 V. - Dòng điện định mức Idm = 10 A . - IN = 5 kA . 3.2.1.2. Chọn công tắc tơ và các nút ấn : * Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng , cắt mạch điện . Ngoài ra còn có tác dụng bảo vệ điện áp thấp và điện áp không chọn công tắc tơ theo dòng định mức của động, ta có Iđm = 7,3A của hãng FUJI có ký hiệuSC- 02 có các thông số sau: - Điện áp định mức Uđm = 380 V . - Dòng điện định mức Iđm=10A . Chọn các nút ấn : Tra theo catalog của hảng Yong Sung (Hàn Quốc) chọn. +Chọn một nút ấn thƣờng đóng có màu đỏ loại YS 12-11 . +Chọn một nút ấn thƣờng mở có màu xanh loại YS 12-11R . 3.2.1.3. Tính chọn Diôt : Để các van động lực làm việc đƣợc an toàn và không bị đánh thủng nên khi tính chọn van, ta tính ứng với trƣờng hợp khởi động động cơ . Dòng điện rôto quy đổi về stato có thể tính . E20 225 I'2kd 28,83(A) '2 '2 2 2 3 R2 X 2 3 1,836 2,67 Hệ số quy đổi K: 21
22. E 0,95U 0,95.220 K K 1 1 0,82 1 E E E 225 20 20 ' I 2kd ' I 2kd I 2kd I 2kd .K1 0,82.28.83 23,64(A) K1 2 I dm K1.I 2kd ; K1 hệ số tra bảng. 3 2 I .23,64 15,78 A dm 3 Dòng điện trung bình qua van: 1 I I .K .15,78 5,26 A D dm tb 3 Dòng điện hiệu dụng qua van: 1 I I K 15,78. 8,47 A hd dm hd 3 Ivcp KI .Khd 1,2.8,47 10,16 A Chọn KI = 1,2. Điện áp ngƣợc lớn nhất: E20 255 U ng max .2,45 360,6 V 3 3 2,45 : Hệ số sơ đồ cấu. Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngƣợc của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc một hệ số dự trữ Kdt = 1,6÷2 . Unv = Kdt.Ungmax = 1,6.360,6 = 577 (V) Chọn Kdt = 1,6 . Tra bảng 4 tài liệu “thiết kế thiết bị điện tử công suất” của thầy giáo Trần Văn Thịnh biên soạn, ta chọn Điốt có ký hiệu RP6015 có các thông số : Dòng điện cực đại của van : Imax = 15 (A) . Điện áp ngƣợc van : Un = 600 (V) . Tổn hao điện áp : U = 1,5 (V) . 3.2.1.4. Tính chọn IGBT: Để đảm bảo cho IGBT làm việc đƣợc và không bị đánh thủng thì 22
23. IGBT cần chọn có điện áp ngƣợc lớn hơn điện áp ngƣợc đặt lên chúng . Vậy sơ đồ mạch lực đã đƣợc chọn . Ta có điện áp ngƣợc đặc lên IGBT phải tính ứng với trƣờng hợp điều chỉnh tốc độ nhỏ nhất . Khi có Rf là lớn nhất . Khi làm việc ở M = const , dải điều chỉnh D = 4÷1 . R ' R ' R ' R ' 2 const 2 f 2 S S 1 Stn 4 n n 1000 936,3 Mà S dm 0,0637 dra n 1000 60 60.98 n 936,3 V / P dm 2 2.3,14 n n1 4 1000 234,1 S 1 0,756 4 n 1000 98 60 1 60. 4 4 n1 23,41V / P 4 2 2.3,14 ' ' R2 ' 0,836 Vậy R f .S 1 R2 .0,756 0,836 9,08 Stn 4 0,0637 R ' 9,08 R f 13,5 f K 2 0,822 Cộng hệ số dự trữ 5%. R0 = 13,5 + 0,675 = 14,17 (Ω). Điện áp đặt lên IGBT lúc này . UngmaxT = Idm.R0 = 7,3. 14,17 = 107,31 (V) . Để van làm việc an toàn hơn khi chọn van ta nhân thêm hệ số dự trữ về áp Kv = 1,3 Do đó : UngcpT = UngmaxT.Kv = 107,31.1,3 =140(V) Và nhân với hệ số dự trữ về dòngKI=1,2 Ivcp = Idm.KI = 7,3.1,2 = 8,76 (A) . Vậy với các thông số của van động lực đã tính : 23
24. UngcpT = 140 (V) . Ivcp = 8,76 (A) . Muốn tăng độ dốc của đặc tính điều chỉnh, ta phải dùng IGBT có điện áp định mức lớn nhƣ vậy : →Tra bảng 5 trang 114 sách “tài liệu hƣớng dẫn thiết kế thiết bị ĐTCS” của tác giả Trần Văn Thịnh chọn IGBT loại FGA25N120 có các thông số kỹ thuật : - Dòng điện trung bình của van Itb = 10 (A) . - Điện áp ngƣợc của van Un = 200 (V) . - Độ sụt áp trên van U = 2,4 (V) . - Điện áp điều khiển Ug = 2 (V) . - Dòng điện điều khiển Ig = 0,15 (A) . - du/dt=1000 (V/S) 3.2.1.5. Tính chọn điện trở phụ : Điện trở này tạo ra đặc tính điều chỉnh mong muốn, muốn mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ, điện trở phụ rôto phải lấy với giá trị lớn nhất có thể đƣợc . Nếu coi rằng khi IGBT ngắt, dòng điện vẫn giữ giá trị cũ do đó ta xác định giá trị của điện trở phụ là : Ung maxT 200 R0 15,38 I d max .Kv 10.1,3 Trong đó: UngmaxT=200V : Điện áp ngƣợc cực đại của IGBT Idmax=10A: Dòng điện cực đại có trong mạch Kv : Hệ số dự trữ về áp . 3.2.1.6. Tính chọn Ld : Muốn bảo đảm biên độ đập mạch nhỏ nhất cho dòng điện và mômen động cơ, ta phải lấy tần số đóng cắt IGBT ở mức độ cực đại cho phép . Mặc dù theo số liệu catolô, IGBT đƣợc phép làm việc ở tần số 2000HZ . Nhƣng ta phải xét các thời gian tác động bản thân của IGBT. (thời gian mở thông từ 24
25. 1÷5 μS , thời gian phục hồi tính khoá từ 15÷25 μS) . Các khoảng thời gian ngắn nhất cần để IGBT ngắt hẳn sau khi đã thông tƣơng đối lâu và độ dự trữ cần thiết để đảm bảo làm việc tin cậy nên ta chọn tần số chuyển mạch fcm = 800HZ . Khi đó ta có chu kỳ chuyển mạch : 1 1 T 1,25.10 3 s cm f 800 Thời gian mà dòng điện thay đổi từ Imin÷Imax đƣợc tính: 3 4 t 0,5.Tcm 0,5.1,25.10 6,25.10 s Chọn i I min ÷ I max 0.01 A t Vậy: L R . .I 2L d 0 i d max 3X Với R 15,38 ; I 10 A ; L L . 0 d max 2 f ' ' ' X 2 1,67 X L X1 X 2 X 2 X 2 2 1,67 2 4,15 Kc 0,82 3.4,15 L 3,9.10 3 H 2.3,14.50 6,25.10 4 L 15,38. .10 2.3,9.10 3 1,8 mH d 0,01 3.3. Thiết kế mạch điều khiển 3.3.1. Giới thiệu về vi điều khiển 8051 MSC51 là một họ Vi Điều Khiển (Microcontroller) do hãng Intel sản xuất.Các IC của họ MSC51 tiêu biểu là 8051 và 8031. Đặc biệt, vi điều khiển 89C51 sản xuất gần đây mang các đặc điểm sau: 4Kbytes EEPROM. 128 bytes RAM. 4 Port I/O (Input/Output). 2 bộ định thời Timer 16 bits. Giao tiếp nối tiếp. 64Kbytes không gian bộ nhớ chƣơng trình mở rộng. 64Kbytes không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng. Một bộ xử lý luận lí (thao tác trên các bits đơn). 25
26. 210 bits đƣợc địa chỉ hóa. Bộ nhân chia 4µs. HỆ THỐNG GIAO TIẾP PORT. Port 0: port 0 là một port hai chức năng trên các chân 32-39. Hãy nhớ rằng : trên các chân này chƣa có điện trở kéo dƣơng, do đó khi cần chúng ta cần nhớ đến đặc điểm này. Port 1: port 1 là một port I/O trên các chân 1-8. Port 2: port 2 là một port công dụng kép trên các chân 21-28. Port 3: port 3 là một port công dụng kép trên các chân 10-17. Các chân này đều có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ tới các đặc tính đặc biệt của 8051 ở bảng sau: CÁC TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN: 26
27. Chip AT89C51 có các tín hiệu điều khiển cần phải lƣu ý nhƣ sau: Tín hiệu vào EA\ trên chân 31 thƣờng đặt lên mức cao ( +5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chƣơng trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K hoặc tối đa 8k đối với 89C52). Nếu ở mức thấp, chƣơng trình đƣợc thi hành từ bộ nhớ mở rộng (tối đa đến 64Kbyte). Ngoài ra ngƣời ta còn dùng EA\ làm chân cấp điện áp 12V khi lập trình EEPROM trong 8051. CHÂN PSEN (Program store enable): PSEN là chân tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển cho phép chƣơng trình mở rộng, PSEN thƣờng đƣợc nối đến chân OE\ (Output Enable) của một EPROM hoặc ROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. Hãy nhớ rằng : bình thƣờng chân PSEN\ sẽ đƣợc thả trống ( No Connect).Chỉ khi nào cho EA\ ở mức thấp thì lúc đó: PSEN\ sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chƣơng trình đƣợc lấy từ EPROM qua bus dữ liệu và đƣợc chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh. PSEN\ ở mức thụ động (mức cao) nếu thi hành chƣơng trình trong ROM nội của 8951.  CÁC CHÂN NGUỒN: AT8951 hoạt động ở nguồn đơn +5V.Vcc đƣợc nối vào chân 40, và Vss (GND) đƣợc nối vào chân 20. 3.3.2. Thuật toán và chƣơng trình điều khiển 3.3.2.1. Giải thuật 27
28. TIMER0_ISR 28
29. Đây là chƣơng trình phục vụ ngắt dành cho ngắt do Timer 0 gay ra. Nguyên lý tạo xung có độ rộng cao hay thấp thay đổi cho điều khiển tốc độ động cơ nhƣ sau: 29
30. Trong đó: TL là khảng thời gian định thời ở mức 0 (tƣơng ứng 0V) TH là khảng thời gian định thời ở mức 1 (tƣơng ứng 5V) Giá trị nạp của khảng thời gian TH đƣợc lƣu vào ô nhớ có địa chỉ: (high: 7FH, low: 7EH) và cho TL: (high: 7DH, low: 7Ch) Tốc độ chuẩn đƣợc lấy vào từ ADC0809 Bit 00 có giá trị: 1: Tức là xung điều khiển động cơ đang ở định thời mức 1 (5V). 0: Tức là xung điều khiển động cơ đang ở định thời mức 0 (0V). Sử dụng Timer 0, mode 1, khi tràn thì interrupt (sau khảng 50ms). Timer 0:bộ định thời 16 bit có 4 mode hoạt động. Mode 1: Timer 0 đặt hoạt động ở mode 1, các bít M1=0, M0=1 trong thanh ghi TMOD thiết lập định thời 16 bit, để timer bắt đầu đếm thì đồng thời phải set bit TR0=1 trong thanh ghi TCON. Interrupt timer 0: TF0=1 trong thanh ghi TCON khi Timer 0 đếm tới giá trị đặt và vòng về giá trị 0. Với các diễn giải trên hoạt động của TIMER0_ISR tóm tắt nhƣ sau: Khi ngắt xảy ra, dùng timer 0, kiểm tra bnit dấu 00H, có 2 trƣờng hợp:  Bit dấu 00H=1: các hoạt động tiếp theo sẽ là: 30
31.  Xóa bít dấu 00H;  Nạp lại dung lƣợng đếm (TL) cho Timer 0;  Hạ tín hiệu điều khiển động cơ xuống mức thấp;  Cho chạy lại Timer 0.  Bit dấu 00H=0:  Cập nhật tốc độ đặt từ ADC0809. Hai trƣờng hợp: Phát hiện có sự thay đổi tốc độ dặt từ ADC0809, cập nhật tốc độ đó. Tốc độ nhận từ ADC0809 không đổi, không cập nhật.  Khởi động lại ADC0809;  Set bit dấu 00H;  Nạp lại dung lƣợng đếm (TH) cho Timer 0;  Nâng tín hiệu điều khiển của động cơ lên mức cao;  Cho phép Timer 0 hoạt động. INT0_ISR Trình phục vụ ngắt gây ra do ngắt ngoài 0. Chƣơng trình này phục vụ việc đếm tốc độ quay của động cơ. Nó đƣợc viết ngay sau vector ngắt của ngát ngoài 0 (lệnh xử lý: ORG 0003H). Trình này chỉ thực hiện mỗi động tác là tăng nội dung ô nhớ tốc độ đo 7BH lên 1. Quá trình đếm tốc độ này diễn ra trong khoảng 50ms (chu kỳ của xung điều khiển tốc độ động cơ) và sau đó đƣợc tái lập (vòng về 0 và đếm lại chu kỳ tiếp). Trình phục vụ ngắt này không hiện diện rõ ràng trong chƣơng trình, nó đƣợc đặt nối tiếp ngay sau lệnh gọi địa chỉ vector ngắt và đƣợc trình bày ở đây có tên là INT0_ISR chỉ nhằm mục đích mô tả rõ hơn các hoạt dộng diễn ra bên trong bộ VĐK. 31
32. MAIN Phần chƣơng trình này làm việc nhƣ 1 bộ tính toán - hiệu chỉnh dung lƣợng dếm TH hoặc TL để thay đổi chu kỳ làm việc của xung điều khiển tốc độ động cơ. Bên cạnh đó còn có nhiệm vụ: tạo baud rate 1200, nạp các giá trị thích hợp cho các thanh ghi điều khiển và hiển thị tốc độ. 32
33. HIENTHITOCDO Trình con này phục vụ cho việc hiển thị tốc độ đo ra khối hiển thị ra LED 7 đoạn. Xem chi tiết trên lƣu đồ thuật giải. 33
34. DELAY Trình con tạo trễ khoảng 1 ms (1024 microseconds). BINTOBCD: Trình con chuyển đổi số BIN sang số BCD, đầu vào là cặp thanh ghi R7:R6 liên tiếp chứa byte cao và byte thấp của số nhị phân 16 bit. Để chuyển sang mã BCD nén, ta cần chuyển sang mã BCD theo cách láy giá trị cần chuyển đổi lần lƣợt chia cho 10, số dƣ sẽ là mà BCD tƣơng ứng. Nếu số cần chuyển đổi là 16 bit nhƣ trƣờng hợp của ta, chia lần đầu để lấy số dƣ mã BCD hàng đơn vị, lần 2 cho hàng chục. Thủ tục dùng để chia số 16 bit cho số 8 bit là DIV_16_8. Để tìm 2 mã hàng trăm và hàng ngàn còn lại, chỉ cần dùng lệnh thông thƣờng trong tệp lệnh. Kết quả từ thủ tục này cũng là R7:R6, nhƣng bây giờ là số BCD nén với R7 chứa hàng ngàn trong 4 bit cao, hàng trăm trong 4 bit thấp. Tƣơng tự cho R6, byte cao chứa hàng chục, byte thấp chứa hàng đơn vị. Trong thủ tục này có sử dụng đến thủ tục chia số 16 bit cho số 8 bit sẽ trình bày dƣới đây; DIV_16_8 Chƣơng trình con chia số nhị phân 16 bit cho 10 (số nhị phân 8 bit) dùng pháp trừ và phép dịch trái bít liên tiếp cho tới khi đến bít thứ 16. 34
35. Diễn giải cụ thể nhƣ sau: Đầu tiên dịch trái 1 bít toàn bộ 16 bit trong có mặt trong cặp thanh ghi R7:R6 có cờ Carry, CY=0. Thanh ghi A tại dòng lệnh mang giá trị các bít cao của số nhị phân 16 bit đƣợc dịch trái và có thể còn có bít đi trƣớc bít cao mang giá trị chia còn dƣ của lần dịch bít kế trƣớc đó. Phần tính ra trị dƣ này đƣợc tính ra bằng lệnh nằm nối tiếp sau nhãn “A_GREAT_EQ_B” và trị dƣ (nếu có) đƣợc giữ nguyên trong thanh ghi A lúc nhảy ra ngoài nhãn. Tại dòng lệnh cho ta 3 khả năng quan hệ giữa A và B: Nếu A=B : CY= 0 Nếu A>B : CY= 0 Nếu A B, thì thƣơng số bằng 1 và số dƣ tính ra bằng lệnh SUBB. Số dƣ này sẽ lƣu lại cho lần dịch bít sau (lần dịch bít sau là lần dịch bít thứ 16. 3.3.2.2. Phần cứng a. Sơ đồ nguyên lý 35
36. Hình 3.3: Sơ đồ mạch thi công b. Chức năng của tùng bộ phận KHỐI NGUỒN Hình 3.4: Mạch nguồn 36
37. Cung cấp nguồn nuôi cho mạch thi công Khối nguồn đƣợc thiết kế cung cấp mức điện áp ổn định 5V cho mô hình. Một biến áp 220V sang 12V khoảng 1A; tụ điện nguồn 2200uF 25V và IC ổn áp 7805. KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51 Hình 3.5: Khối điều khiển AT89C51 Trung tâm điều khiển các chế độ làm việc của động cơ và toàn bộ hoạt động khác: điều khiển động cơ chạy ở tốc độ mong muốn, hoạt động mạch hiển thị LED, đo tốc độ, giao tiếp máy tính. Khối gồm có IC AT89C51, mạch tạo xung và mạch reset. KHỐI ĐẶT TỐC ĐỘ TRÊN KIT 37
38. Hình 3.6: Khối đặt tốc độ Khối điều khiển tốc độ động cơ bằng tay trên KIT. Khối gồm IC ADC0809 làm chức năng chính là chuyển đổi tƣơng tự/số, IC 74LS393 tạo xung nhịp cho ADC0809 và biến trở dặt tốc độ để chọn mức điện áp cho ADC0809 KHỐI HIỂN THỊ Hình 3.7: Khối hiển thị tốc độ đo Dùng để hiển thị tốc độ đo đƣợc của dộng cơ trong mô hình mạch thi công. 38
39. Khối gồm IC 7447 làm nhiệm vụ giải mã BCD sang mã 7 đoạn, 4 LED 7 đoạn, 4 tranzitor A1015 kéo dòng cho 4 LED 7 đoạn loại anode chung, 7 điện trở hạn dòng cho 7 đầu vào a, b, c, d, e, f và g (không vẽ trên hình) và bộ điện trở phân cực tranzitor. KHỐI MẠCH ĐỘNG CƠ Hình 3.8: Khối đo tốc độ dùng encoder Khối này gồm bộ phận cảm biến tốc độ sử dụng encoder. c. Hoạt động của mạch điều khiển 1. Các bước chuẩn bị: Kiểm tra dây nối; Kiểm tra nối nguồn; Chỉnh biến trở đặt tốc độ về zero để động cơ không chạy khi mới cấp nguồn. 2. Hoạt động của sơ đồ Khối nguồn cho ra điện áp 5V ở ngõ ra. Khối VĐK AT89C51 thực thi chƣơng trình đƣợc nạp với các điều kiện đầu là tốc độ đặt bằng zero, tốc độ đo xuất ra LED là 0, tạo xung khởi động cho ADC0809. 39
40. Khối đặt tốc độ, lúc đầu vì chƣa đặt tốc độ nên động cơ không chạy. Khối hiển thị 4 số 0. Để điều khiển động cơ chạy ở tốc độ mong muốn, chỉnh biến trở đặt tốc độ theo chiều tăng điện áp. AT89C51 trong quá trình thực thi chƣơng trình sẽ cập nhật tốc độ thừ ADC0809, so sánh tốc độ cập nhật với tốc độ trƣớc đó , nếu có sự thay đổi nó sẽ tự động cập nhật vào ô nhớ tốc độ chuẩn, sau đó sẽ điều khiển phát xung định thời tăng mức 1 liên tục khi tốc độ động cơ chuẩn lớn hơn tốc độ động cơ đo, cho tới khi bằng nhau và ngƣợc lại giảm định thời mức 1 khi tốc độ động cơ chuẩn bé hơn tốc độ đo. Việc tăng hay giảm khoảng định thời tuân thủ luật: lƣợng tăng khoảng định thời mức này đồng thòi đi kèm giảm 1 lƣợng tƣơng ứng khoảng định thời mức kia. Sau khi tính toán lƣợng chênh lệch giữa tốc độ chuẩn và tốc độ đo, ngắt do bộ định thời timer 0 nếu xuất hiện, AT89C51 sẽ kiểm tra dấu (trong chƣơng chình là bít định địa chỉ 00H) để xác định bộ đếm timer 0 đang định thời mức 1 (nếu nội dung 00H bằng 1) hay mức 0 (nếu nội dung 00H bằng 0). Nếu đang định thời mức 1 thì xóa 00H, nạp nội dung trong ô nhớ giá trị định thời mức 0 vào timer 0 và cho chạy. Nếu ngát của timer 0 chƣa can thiệp thì AT89C51 sẽ xuất tốc độ đo đƣợc từ bộ cảm biến tốc độ (encoder) cho khối hiển thị. Trong chƣơng trình thực thi của At89C51, ta sử dụng 2 ngắt có độ ƣu tiên theo thứ tự giảm dần là Timer 0, ngắt ngoài 0 Ngắt ngoài 0 sẽ làm việc với độ ƣu tiên xếp sau ngắt do Timer 0, nếu timer 0 tràn và gây ngắt thì ngắt ngoài 0 sẽ chờ và thực thi sau đó. Ngắt ngoài 0 sẽ liên tục tăng ô nhớ tốc độ mỗi khi xung cạnh chân /INTO của AT89C51. Ô nhớ tốc độ bị xóa mỗi khi timer 0 gây ngắt. d. Chương trình chính / 40
41. chuong trinh chinh su dung 4 ngat / ORG 0 LJMP MAIN ORG 0003H ;external interrupt 0 INC 7BH CPL P2.1 RETI ORG 000BH ;timer 0 interrupt LJMP TIMER0_ISR ORG 0023H;serial port interrupt LJMP SP_ISR MAIN: CLR TI CLR RI MOV 70H,#HIGH(-50000) ; chu ky xung kich dong co 50ms MOV 7CH,#LOW(-50000); tan so tuong ung 20Hz MOV 7FH,#0 ; khoi dong khoang dinh thoi muc 1=zero MOV 7EH,#0 CLR P2.0 SETB P2.0 CLR P2.0 MOV TMOD,#21H; timer 1,mod2,timer0 mode1 MOV TH1,#-26; 1200 baud SETB TR1 SETB TR0 MOV TCON,#01H ;ITO=1, ngat ngoai 0 tac dong nay canh xung xuong MOV SCON,#50H ; Mode 8 bitUART 41
42. MOV SP,#2FH ;bo nho don bat dau tu 30H MOV IP,#02H ;PT0=1 : uu tien cho ngat timer 0 , REN=1 : cho phep hoat dong ;thu MOV IE,#93H ;EA=1: cho phep ngat ngoai toan cuc ;ES=1: cho phep ngat do port noi tiep ;ET0=1: cho phep ngat do timer 0 ;EX0=1: cho phep ngat ngoai 0 ; ;dung timer 0 de tinh toc do dong co ; X0 : giam dinh thoi muc 1 va tang dinh thoi muc 0 ; X1 :tang dinh thoi muc 1 va tang dinh thoi muc 0 ; X0: MOV A,7AH; bo nho toc do do (7AH) CLR C SUBB A,79H ; toc do chuan (79h) JC X1 MOV A,79H; chuan CLR C SUBB A,7Ah; do JNC X2; neu chuan = do :C=0, nhay toi X2 DEC 7EH ; Do > chuan : giam dinh khoang dinh tho 1 , dong thoi tang ;khoang dinh thoi 0 CLR C MOV A,#0FFH ;so sanh byte thap voi 0FFH CJNE A,7EH,TANG_DINH_THOI_MUC_0;neu phep tru (7EH)comuon thi ;tru tiep (7EH) DEC 7EH ; byte cao gia tri khpang dinh thoi 1 42
43. TANG_DINH_THOI_MUC_0 : INC 7CH ; byte thap gia tri khoang dinh thoi 0 CLR C MOV A,#0 CJNE A,7CH,X2 ; neu co bi tran thi cong 1 ,vao (7DH)_byte cao gia tri dinh ;thoi 0 INC 7DH CPL P2.2 SJMP X2 X1: INC 7EH CLR C MOV A,#0 CJNE A,7EH,GIAM_DINH_THOI_MUC_0 INC 7FH GIAM_DINH_THOI_MUC_0: DEC 7CH CLR C MOV A,#0FFH CJNE A,7CH,X2 DEC 7DH CPL P2.3 X2: ;rpm=(7AH)/20/0,05*60=(7AH)*60 CALL HIENTHITOCDO SJMP X0 ; ; ; ;Trinh phuc vu ngat timer 0. 43
44. ;nap cac khoang dinh thoi cho timer 0 ; ; TIMER0_ISR : PUSH ACC CLR TR0 JB 00H,Y1 ; kiem tra bit dau, neu (00H)=1 thi nhay den Y1 MOV 75H,P1 ; 75H la o nho cap nhat toc do dat MOV A,75H ;tu ADC CJNE A,77H,NOT_EQ_ADC ; so sanh gia tri cap nhat voi gia tri luu cua lan ;kiem tra truoc SJMP SKIP1 ; neu khong thay doi thi bat dau tien hanh nap khoang dinh thoi ;0 va cho chay timer 0 NOT_EQ_ADC: MOV 77H,A ;77H la o nho luu toc do dat cu cua ADC MOV 79H,A ;bang thi cap nhap toc do chuan SKIP1: CLR P2.0 ;khoi dong ADC SETB P2.0 CLR P2.0 MOV 7AH,7BH ; 7AH la o nho toc do do MOV 7Bh, #0 ; 7BH la o nho toc do se thay doi theo moi lan timer 0 bi tran ;(~50ms) bat dau nap dinh thoi 1 SETB 00H ; bat dau nap dinh thoi 1 MOV TH0,7FH ; byte cao gia tri khoang dinh thoi 1 MOV TL0,7Eh ; byte thap gia tri khoang dinh thoi 1 SETB P3.7 ; nang tin hieu dieu khien dong co len muc cao SJMP Y2 Y1: 44
45. CLR 00H ; bat dau nap dinh thoi 0 MOV TH0,7DH ; byte cao gia tri khoang dinh thoi 0 MOV TL0,7CH; byte thap gia tri khoang dinh thoi 0 CLR P3.7 ;ha tin hieu dk dong co xuong muc 0 Y2: SETB TR0 ; cho timer 0 chay POP ACC CPL P2.4 ; den bao RETI ; ;Hien thi toc do , pp quyet led ;Hang ngan, tram chua trong byte dia chi 74H ;Hang chuc, don vi chua trong byte dia chi 73H ;7AH chua toc do do bang so xung / 50ms hoac vong/s ;nhu vay muon chuyen sang rpm thi nhan 60 ; HIENTHITOCDO: MOV A,7AH MOV B,#60 MUL AB MOV 73H,A ;(73H)=(R6) MOV 74H,B ;(74H)=(R7) MOV R7,B ; R7:byte cao so nhi phan 16 bit MOV R6,A ; R6: byte thap so nhi phan 16 bit LCALL BINTOBCD ;CTC chuyen so BIN 16 bit thanh so BCD nen MOV 73H,R6 ;R6 chua so BCD nen hang ngan- tram MOV 74H,R7; R7 chua so BCD nen hang chuc- don vi MOV A,73H 45
46. ANL A,#0FH ORL A,#11100000B ; chon led don vi MOV P0,A ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS MOV A,73H SWAP A ANL A,#0FH ORL A,#11010000B ; chon led chuc MOV P0,A ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS MOV A, 74H ANL A,#0FH ORL A,#10110000B ; chon led tram MOV P0,A ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS 46
47. ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS MOV A,74H SWAP A ANL A,#0FH ORL A,#01110000B ; chon led ngan MOV P0,A ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS ACALL DELAYMS RET ; ; ;chuong trinh con lam tre 1ms ; DELAYMS: ;milisecond delay routine(1024uc) MOV R5,#00H ;2MC LOOPA: ;225x4MC=1020MC NOP ;1MC INC R5 ; 1MC CJNE R5,#0FFH,LOOPA ;2MC RET ;2MC ; ; ;Chuong trinh con doi so nhi phan 16 bit thanh ma BCD nen 47
48. ;inputs : dia chi 74H chua byte cao so nhi phan 16 bit(R7=74H) ;dia chi 73H chua byte thap so nhi phan 16 bit (R6=73H) ;outputs : dia chi 74H chua ngan-tram BCD nen (R7=74H) ;dia chi 73H chua chuc-don vi BCD nen (R6=73H) ; ; BINTOBCD: PUSH ACC PUSH B MOV B,#10 ACALL DIV_16_8 ; lay R7/R6 chia cho 10 PUSH B ; cat hang don vi vao stack MOV B,#10 ACALL DIV_16_8 ; tiep tuc chia cho 10 PUSH B ; cat hang chuc vao stack MOV B,#10 MOV A,R6 DIV AB ;tiep tuc chia cho 10 PUSH B ;cat so hang tram vao stack ;A chua so hang ngan SWAP A ;Dua so hang ngan len 4 bit cao POP B ; lay so hang tram tu stack ra ORL A,B ; ket hop so hang ngan -hang tram MOV R7,A ;R7=ngan-tram POP ACC ; lay so hang chuc tu stack ra SWAP A ; dua so hanh chuc len 4 bit cao POP B; lay so hang don vi tu stack ra ORL A,B ;ket hop so hang chuc -hang don vi MOV R6,A ; R6=chuc-don vi 48
49. POP B POP ACC RET ; ; ; ;Chuong trinh con chua 1 so nhi phan 16 bit cho 1 so 8 bit ;so 8 bit la so 10(he thap phan) ; ; DIV_16_8: PUSH ACC ; cat thanh ghi A PUSH 02H ;cat thanh ghi R2 MOV R2,#16 ; cho phep dich 16 lan CLR A DIVIDE: XCH A,R6 CLR C ;dich bit 7 cua R6 vao Carry RLC A ;bit 0 cua R6=0 XCH A,R6 XCH A,R7 ; dich bit Carry vao bit 0 cua R7 RLC A XCH A,R7 RLC A ; dich bit 7 cua R7 vao A CJNE A,B,NOT_EQUAL ; xem so bit da dich >=so chia chua SJMP A_GREATER_EQ_B NOT_EQUAL: ;NO:thuong so = 0 cat trong R6 JC BELOW A_GREATER_EQ_B: ;YES: thuong so = 1 cat trong R^; SUBB A,B ; so du cat trong A 49
50. XCH A,R6 ORL A,#1 XCH A,R6 BELOW: DJNZ R2,DIVIDE ;xem da dinh du 16 lan chua ? , chua thi nhay len DIVIDE XCH A,B ;neu du 16 lan roi thi nap so du vao B; POP 02H POP ACC RET ; ; ; ;R3 4 dao chieu dong co ;R5 4 DELAYMS ;R6 4 Chuc-don vi ;R7 4 ngan-tram ; END; g. Mạch sau khi thi công và hoàn thiện 50
51. KẾT LUẬN Sau một thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp với sự giúp đỡ của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn, đến nay đề tài của em là “XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ DÂY QUẤN BẰNG ĐƢA ĐIỆN TRỞ VÀO ROTO LIÊN TỤC” Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn em thực hiện đề tài này. Tuy nhiên do còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế, tài liệu tham khảo, nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, các vấn đề nghiên cứu còn chƣa sâu rộng và chƣa gắn đƣợc với thực tế. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản đồ án hoàn thiện hơn. 52
52. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện – Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban – NXB khoa học và kỹ thuật - 2007 2. Máy điện – NXB xây dựng - PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn 3. Điện tử công suất – Trần Trọng Minh – NXB GD – 2014 4. Họ vi điều khiển 8051 – Tống Văn On 52