Đồ án tốt nghiệp đại học_mạch điều khiển tốc độ động cơ



1
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

NHIM V  ÁN TT NGHIP

  án:
Thit k mu khin và hin th t 
2. Ni dung các phn thuyt minh và tính toán:
- 

- 
- 

3. H tên ging dn: ThS. Nguyễn Hồng Anh
4. Ngày giao nhim v  án: 30/09/2014
 án: 31/12/2014

Ngày tháng 5
Ch nhim B môn Ging dn
B GIÁO DO

CNG HÒA XÃ HI CH T NAM
I HC BÁCH KHOA HÀ NI


c lp - T do - Hnh phúc

H và tên sinh viên: Nguyn ng
S hiu sinh viên: 20109983

Khóa: 55
Vin: n T - Vin Thông
Ngành: n t vin thông


2
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng





















3
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

BN NH ÁN TT NGHIP
H và tên sinh viên: Nguyn ng
S hiu sinh viên: 20109983
Khóa: 55
Khoa: n T - Vin Thông
Ngành: n T Vin Thông
Ging dn: ThS.Nguyễn Hồng Anh

Cán b phn bin:

1. Ni dung thit k tt nghip:








2. Nhn xét ca cán b phn bin:



4
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
5
Cán b phn bin
( Ký, ghi rõ h và tên )



5
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
MC LC
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3
LỜI NÓI ĐẦU. 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ. 11
1.1. Động cơ điện một chiều. 11
1.1.1. Cấu tạo. 11
1.1.2. Nguyên lý làm việc 14
1.1.3. Sơ đồ đấu dây 15
1.1.4. Phương trình đặc tính cơ. 16
1.1.5. Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ. 20
1.1.6. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 20
1.1.7. Mở máy động cơ điện một chiều. 26
1.1.8. Các phương pháp đảo chiều quay động cơ điện một chiều. 28
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN 29
2.1. Vi điều khiển AVR. 29
2.1.1. Giới thiệu về AVR. 29
2.1.2. Một số chíp AVR thông dụng. 30
2.1.3. Chíp Atmega32. 31
2.1.4. Quản lý ngắt. 38
2.1.5. Cấu trúc bộ nhớ. 40

2.1.6. Cổng vào ra. 42
2.1.7. Bộ định thời. 45
2.1.8. Mô tả các thanh ghi. 48
2.2. Màn hình LCD (Liquid Crystal Display). 50
2.2.1. Tính năng. 51
2.2.2 .Mô tả chung. 51
2.2.3. Sơ đồ chân. 52
2.2.4. Sơ đồ kết nối. 53
2.2.5. Thanh ghi. 54
2.2.6. Tổ chức bộ nhớ. 54


6
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
2.2.7. Điều khiển hiển thị Text LCD. 57
2.3.Chíp Driver L298 62
2.3.1. Tính năng 62
2.3.2.Thông số nhiệt độ 64
2.3.3.Chức năng các chân 64
2.3.4. Ứng dụng 65
2. 3.5.Một số đề nghị khi thiết kế: 65
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH 67
3.1. Thiết kế mạch nguyên lý. 67
3.2 Một số thành phần cơ bản trong mạch. 68
3.2.1 Khối nguồn. 68
3.2.2 Khối hiển thị LCD 69
3.2.3 Khối điều khiển động cơ. 70
3.2.4 Khối vi xử lý và khối điều khiển. 71
3.2.5 Động cơ DC 71
3.2.6. phương pháp điều chế xung PWM - Pulse Width Modulation 77

3.2.7. Mạch cầu H 80
3.3 Mạch in. 83
3.4 Mạch sản phẩm. 83
KẾT LUẬN. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
CODE CHÍNH 88










7
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng


Hình 1.1. Động cơ điện một chiều. 11
Hình 1.2. Phần cảm (Stato) động cơ điện một chiều. 12
Hình 1.3. Phần ứng (Rôto) động cơ điện một chiều. 13
Hình 1 3. Chổi than. 13
Hình 1.4. Cổ góp. 14
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều. 14
Hình 1.6. Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập và song song. 15
Hình 1.7. Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập 19
Hình 1.8. Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 19
Hình 1.9. Đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng. 21

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông 22
Hình 1.11. Họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông. 23
Hình 1.12. Sơ đồ đấu dây. 24
Hình 1.13. Họ đặc tính cơ. 24
Hình 1.14. Mở máy ĐCĐMC nhờ biến trở. 27
Hình 1.15. Sơ đồ băm xung điện áp một chiều có đảo chiều. 28
Hình 2.1. Các dòng AVR: tiny, AVR và AT mega. 30
Hình 2.3. Cấu trúc chân của Atmega32. 32
Hình 2.4. Sơ đồ khối Atmega32. 35
Hình 2.5. Sơ đố cấu trúc CPU của Atmega32. 36
Hình 2.6. Thanh ghi trạng thái SREG. 37
Hình 2.7. Thanh ghi chức năng chung. 38
Hình 2.8. Thanh ghi con chỏ ngăn xếp. 38
Hình 2.9. Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader. 41
Hình 2.10. Cấu trúc chân của AVR. 43
Hình 2.11. Sơ đồ một cổng vào ra. 45
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc bộ định thời. 46
Hình 2.13. Đơn vị đếm. 47


8
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
Hình 2.14. Đơn vị so sánh ngõ ra. 48
Hình 2.15. Thanh ghi điều khiển bộ định thời. 48
Hình 2.16. Thanh ghi bộ định thời. 49
Hình 2.17. Thanh ghi so sánh ngõ ra. 50
Hình 2.18. Thanh ghi mặt nạ ngắt TIMSK 50
Hình 2.19. Thanh ghi cờ ngắt bộ định thời. 50
Hình 2.20. Text LCD 16x2 51
Hình 2.21. Kết nối LCD với AVR và nguồn. 53

Hình 2.22. Vùng nhớ CGROM. 56
Hình 2.23. Hoạt động của chan RS. 58
Hình 3.3.Sơ đồ chân của IC 7805 và chức năng các chân. 68




Bảng 2.1. Vector ngăt cho Atmega32 39
Bảng 2.2. Địa chỉ của tất cả các port. 41
Bảng 2.3. Cấu hình cho các chân cổng. 44
Bảng 2.4. Chọn nguồn xung cho bộ định thời. 49
Bảng 2.5. Sơ đồ chân: 52
Bảng 2.6. Thể hiện vị trí DDRAM trên màn hình. 54
Bảng 2.7. Các tập lệnh của LCD. 59








9
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
LU.

Trong mi thc bit là thi kinh t tri thng chân tay
c thay th bng các thit b máy móc tiên tin, hi c các
thit b  thc chính là lng nòng ct, sáng to và tr thành ngun
lc bit quan trng trong chic phát trin, to nên sc mnh ca mi quc gia.

i, vi tt c nhc sáng to và phm cht tích cc ca mình s tr
ng lc phát trin cho công cuc công nghip hóa hii hóa.
i vi mt quc gia nói chc ta nói riêng thì nh
trò then cht ca nn kinh t làn, Than, D, ngành công nghip
t ng hóa  chic phát trin kinh t.
Công nghip t ng hóa các ngành ngh góp phy quá trình công
nghip hóa, hic.
 nâng cao chng sn phm, s
ng sn ph tr i nhng công vic phc tp
mang li nhng hiu qu rt cao
, ng hoàn toàn  ci.
Nói ti t ng hóa, ngày nay không th không nhc ti các thit b u khin
lp trình. Tr, PLC, AVR, PIC, 8051 là  thit b c s dng rng rãi. 
tài này em s du khin ATmega32  nht, c s
dng rng rãi trong công nghip và nghiên cu khoa hc.
Da B giáo do, khi xây d
o, i hc Bách Khoa Hà Ni ng thi gian cho HSSV hc tp, s
dng thit b dùng dy hc, nghiên cu thc nghim ti các phòng thí nghim. Nh
vy, trong quá trình hc tc vn dng kin thc, k  
công ngh m bào tính logic khoa hc. Mt khác, vic nghiên cu, thc nghim ti các
phòng thí nghip giúp cho HSSV có tâm trí phn kh phát huy tính sáng to, tìm tòi
trong quá trình hc tp góp phn nâng cao cho.
Em vng rng vng kin thng, cùng
vi s ng dn nhit tình tn ty vô cùng cùng quý báu mà không th thic ca
cô ng dn: ThS.Nguyễn Hồng Anh cùng các thy cô giáo khác và các bn bè,
em s s án mt các tt nhi ti và thnh.
 án tt nghip, b án ca em không tránh khc sai sót,
nên em rc s p ý kin ca các thy cô giáo và các b b án
cc hoàn thi


10
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
Em xin chân thành c ch bo ân cn ca các thy cô giáo và toàn th các
bn giành cho em, trong thi gian hc tp tc bi
án tt nghip. Mt ln n, em xin chúc các thy cô cùng
các b sc khe, hoàn thành tt mi nhim v c giao, gp nhiu nim vui
trong cuc sng.
Ni dung chi ti
ng quan v n mt chiu chnh
t.
ng quan v các thit b u chnh
Thit k mch.















11
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ.
1.1. Động cơ điện một chiều.
Hin nay, n mt chiu c s dng rt
rng rãi. Trong công nghin mt chic s dng  nhu
mômen m máy ln hoc yêu cu chnh t bng phng, êm du và phm vi rng.
Vì n mt chic tính làm vic rt tt nên c làm truyng
chng, khp tay Robot, di chuyn robot Chính vì s 
t tri cn mt chiu nên em la chn mt chi
 tài nghiên cu và ng dng.

Hình 1.1n mt chiu.
1.1.1. Cấu tạo.
n mt chiu gm có 2 phn: Phn cm (stator) và phn ng (rôtor).


12
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
1.1.1.1. Phần cảm (Stato)

Hình 1.2. Phn cng n mt chiu.
 Cc t n. Có nhim v to ra t ng chính trong máy,
cc t chính gm có.
o Lõi thép cc t chính: Làm bng lá thép dày 0,5-1,0 mm ép li và tán cht.
o Dây qun kích t: Làm bn t lõng, các cun dây t
lên cc t chính ni ni tip vi nhau.
- Cc t ph: Gm có:
o Lõi thép cc t ph: Làm bng thép khi.
o Dây qun ph: Làm bn t t lên các cc t ph.
- Gông t (V máy): Làm mch t ni lin các cc tng thi làm v máy, ngoài

ra còn có n  bi.
1.1.1.2. Phần ứng (Roto)
Gm có:


13
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

Hình 1.3. Phn n mt chiu.
- Lõi thép phn  dn t, làm bng các lá thép k thun ghép li
vi nhau. Trên lá thép có d t dây qun.
- Dây qun phn ng: Là phn sinh ra s  n chy qua.
ng làm bng có bn.
- Trc rôto: Là ph lõi st phn ng,cánh qut và  c làm bng thép cng.
1.1.1.3. Phần đổi điện

Hình 1 3. Chi than.


14
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

Hình 1.4. C góp.
Gm có chi than và c góp.
- Ch n mt chiu t phn ngoài vào trong dây qun phn
u chi than gm có cht trong hp chi than và nh mt lò xo
tì cht lên c góp. Hp chc c nh trên giá chn vi
giá. Giá chi than có th di chuy u chnh v trí ch
chu chnh xong thì dùng vít c nh li.
- C góp: Gm nhiu phin vi nhau bng ln 1,2

mm và hp thành hình tr tròn.
1.1.2. Nguyên lý làm việc

Hình 1. n mt chiu.



15
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
n áp mt chiu U vào hai chn (+) vi chi than A cc (-) ca ngun
mt chiu vi chi than B, trong dây qun phn n. n này kt hp
vi t ng phn cm( NS ) sinh ra ln t .
Fab = BlabIsin
Fcd = BlcdIsin
sin = 1 ( = 900 )
Vì ab = cd nên
Fab = Fcd = F = BlI
u cnh theo qui tc bàn tay trái (c chiu vi
Fcd).
Khi phn c na vòng, v trí thanh di ch cho nhau. Nh có
c góp, chn 1 chic bin xoay chi
dây qun phn ng, gi cho chiu lc tác dc tác dng lên rôto
u nhm bi.
1.1.3. Sơ đồ đấu dây


Hình 1.6 ni dây c c lp và song song.
U
ư
E

I
ư
R
ktf
–
+
C
kt
I
kt
R
f
I
ư
←
I
ư
←
I
ư
←
E

R
f
_

+

U

ư
C
kt
I
kt
R
kt
_

+

U
kt


16
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
Khi ngun 1 chiu có công sut li thì mch kích t
ng mc song song vi mch phn ng.
Khi ngun mt chiu có công su ln thì mn phn ng và mch
kích t mc vào 2 ngun mt chic lp.
1.1.4. Phương trình đặc tính cơ.
   ni dây c   n mt chiu kích t c lp hình 1.36 vi c
n áp ca mch phn ng  ch  xác l
U

= E + (R

+ R
f

).I

(1-1)

- U

n áp phn ng (V).
- E: Sung phn ng (V).
- R
f
n tr ph trong mch phn 
- R

n tr ca phn 
Vi R

= r

+ r
cf
+ r
cb
+ r
tx


- r

n tr dây phn 
- r

cf
n tr cc t ph 
- r
cb
n tr cu
- -r
tx
n tr tip xúc ca ch
Sng E ca phn nh theo biu thc:
E =
a
NP
2
.

..  = K.  (1-2)


17
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

- P: S n cc chính.
- N: S thanh dn tác dng ca cun dây phn ng.
- a: S mch nhánh song song ca cun dây phn ng.
- : T góc (rad/s).
- : T thông kích t chính mt cc t (Wb).
t K =
a
NP
2

.

: H s kt cu c.
Nu biu din sng theo t quay n (vòng/phút) thì E = K
c

60
2 n


Vì vy: E

=
a
NP
.60
.

c

: K
c
: H s sng c.
T :

.

,
,


K
RR
K
U
f
u
u


I

(1-3)
n cn mt chiu .kích t c lp.
Mn t c ch  xác lnh theo biu thc:
M
dt


(1-4)
Suy ra I

=

.K
M
dt
, thay I

vào (1-3) ta có


2
).(
.
,,


K
RR
K
U
f
uu


.M
dt
(1-5)


18
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
Nu b qua tn thn tht ma sát trong  trc thì có th c
n t và ký hiu là M:
M
dt
= M
co
= M
Suy ra
2

).(
.
,,


K
RR
K
U
f
uu


.M (1-6)
n mt chiu kích t c lp.
- Có th biu dii dng khác.

0
-  (1-7)

0
=

.
,
K
U
u
: Gi là t không tng.


2
).(
,

K
RR
f
u

.M =
2
).(
,

K
R
u

.M: G st tc.
Gi thit phn  t thông cc
n (1--6) là tuy th cc
biu di th là nhng thng.
Nn tt c các tn tht thì: M
co
= M
dt




19
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng

Hình 1.7. n ct chiu kích t c lp.
 th trên khi I

= 0 hoc M = 0 thì có: 
0
=

.
,
K
U
u
t t
không tng.

I

=
f
u
u
RR
U

,
,
= I

nm
(1-8)

nm
=M
nm
(1-9)
Vi I
nm
, M
nm
: Gi là dònn ngn mch và mômen ngn mch.

Hình 1.8n mt chiu kích t c lp.

M
M
n
m
0
ω
0
M
d
m
ω
d
m
ω
I

ư
I
nm
0
ω
0
I
dm
ω
dm
ω


20
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
1.1.5. Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ.
T 

=
M
K
RR
K
U
fu
u
2
).(
.





nhn thy mui t

có
th i

, R
f
, U.
- ng hp R
f
i (U

= U



= const):
 c





M
=
fu
dm

RR
K


2
)(

gim. Nu R
f
càng ln thì tc  
ging thi dòng ngn mch và mômen ngn mm. Cho nên ng s
d hn ch u chnh t  i t
n.
- ng hi U< U


T  không ti


K
U

0
gi    c   





M

=

u
R
K
2
)(


const. c 1 h c tính song song. 
c s d u chnh t n ch dòng khi ng.
- ng ca t thông:
Mui

i dòng kích t I
kt
 không ti


K
U
dm


c






M
=
u
R
K
2
)(


gim.
1.1.6. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
1.1.6.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
i vn mt chiu, khi gi t u chn áp trên
mch phn n, moment s  tránh nhng bing ln
v gia tc và lng trong h u chu chnh t bng cách


21
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
n áp trên mch phn c áp dt chiu kích t
c lp.
 u cht vào phn ng các b ngu
n mt chiu, các b bii van hoc khuêc b bii trên dung
 bin dòng xoay chiu ci thành dòng mt chiu chnh giá tr sng
theo yêu cu.
ng cn mt chiu kích t c lp:
n=
M
KK
RR

K
U
ME
fu
E
u
.

.
2





Ta có t không tng: n
0
= U

/K
E


 cng cc tính
const
RR
KK
n
M
fu

ME






2




t lên phn ng c không tng s thay
 cng ci.
 cng ci. H c
ng thng song song v nhiên.

Hình 1.9t vào mch phn ng.


22
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
u chnh t bn áp phn ng thc cht là gim áp
và cho ra nhng t nh  n n
cb
ng thu chnh nhy cp hay liên
tc tùy thuc vào b ngui mt cách liên tc li.
Theo lý thuyt thì phu chnh D = c t n mt
chiu kích t c lp nu không có bic bit ch làm vic  phm vi cho phép:
U

mincp
=
10
đm
U
u chnh.
D = n
cb
/n
min
= 10/1. Nn áp phn ng U < U
mincp
thì do phn ng phn ng s làm
cho t nh.
1.1.6.2. Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông.

Hình 1.10 u chnh t bi t thông.
u chnh t thông kích thích cn mt chiu chn t
c
M
I

và sng quay c.
E

= K
E
i t n áp phn c gi nguyên
giá tr nh mc.
i vn nh  n công sut trung bình, ng s

dng các bin tr t trong mch kích t  i t thông do tn hao công sut nh.
i vn công sut ln thì dùng các b bic bi
khun, khui t, b bi


23
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
Thc cht cm t thông. N n kích t
I
kt
s n dây kích t u chnh t ch có th gim
dòng kích t tc là gim nh t thông so vnh mc. Thy lúc này t 
t thông gim. n =
.
E
K
U

Mt khác ta có: Moment ngn mch M
n
= K
M

I
n
nên khi

gim s làm cho M
n
gim

theo.
 cng cc tính 
  








Khi

gi cng   d c tính
i t 


Hình 1.11. H i t thông.

u chnh t bi t thông có th u chc t
vô cp và cho ra nhng t l n.
Theo lý thuyt thì t thông có th gim gn blà t n vô cùng.
c t  làm vic vi t ln nht:
n
max
= 3.n
cb
tc phu chnh: D =
cb
n

n
max
=
1
3



24
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
Bi vì ng vi mt t ln nhu chnh tc  tùy
thuu kiu kin c  i chin và
chc h c làm vic quá t cho phép.
1.1.6.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Hình 1.12 u dây.
n=
M
KK
RR
K
U
ME
fu
E
u
.

.
2






Gi thit U= U = const,
const
dm



 không t c









  













Khi Rf càng ln, cang nhi Rf
c mt h c tính bin tr có dng.

Hình 1.13. H 


25
GVHD:Ths Nguyn Hng Anh SVTH: Nguyng
u chnh t bn tr ph trên mch phn c
gi
Gi s c xác lp vi t n
1

f
vào mch phn ng.
n phn ng I

t ngt gim xung, còn t 
 p bii. Dòng I

gi    m theo và t  gim
xung, c xác lp ti t n
2
vi n
2
> n

1
.
u chnh t này ch có th u chnh t n < n
cb
. Trên thc t
không th dùng bin tr  u ch cho nhng t nhy
cp t bng phng  xa 1 tc n
1
cách xa n
2
, n
2
cách xa n
3

Khi giá tr n
min
càng tin gn 0 thì phu chnh:
D=
min
n
n
cb


Trong thc t, R
f
càng ln thì tn thng ph c  tc
 n = n
cb

/2 thì tn tht này chim t  m bo tính kinh t
cho h thng ch u chnh sao cho phu chnh:
D =
1
)32( 

Khi giá tr R
f
càng ln thì t ng thn ngn mch I
n

và moment ngn mch M
n
 hn ch
u chnh t i t n. Và tuyc dùng cho
a máy ct kim loi.
Kt lun: u khiu
khin bn áp phn  u khin t n mt chiu
là t. Cho nên em ch tài nghiên cu và ng dng.