Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng hệ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp độ rộng xung.

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-1-

GVHD: Hà Thị Phương

LỜI NÓI ĐẦU
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.
Động cơ 1 chiều được sử dụng từ lâu trong hệ thống 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 1 chiều như chuyền động cho xe điện, máy công cụ, máy
nâng vận chuyển, máy cán, máy nghiền...
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 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 1 chiều thì chỉ cần thay đổi mỗi điện áp một
chiều thì bộ chuyển mạch cơ khí của động cơ 1 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 1 chiều.Tùy vào các ứng dụng mà chọn lựa
loại động cơ nào được sử dụng phụ thuộc vào khách hàng. Trong phạm vi đồ án
này, em xin trình bày vấn đề điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều dùng họ vi điều
khiển 8051 bằng phương pháp độ rộng xung.
Em xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các Thầy,
các Cô khoa điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án này.

Một lần nữa em xin cảm ơn Cô giáo HÀ THỊ PHƯƠNG đã hướng dẫn tận
tình trong suốt quá trình em làm đồ án.
Do kinh nghiệm và trình độ còn hạn chế, phần thể hiện và trình bày còn
nhiều khuyết điểm. Kính mong quí Thầy Cô bỏ qua cho em.
Trân trọng kính chào
Ngày 26 tháng 4 năm 2012


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-2-

MỤC LỤC

GVHD: Hà Thị Phương


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-3-

GVHD: Hà Thị Phương

MỤC LỤC HÌNH ẢNH


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-4-

MỤC LỤC BẢNG

GVHD: Hà Thị Phương


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-5-

GVHD: Hà Thị Phương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỘNG ĐIỆN
1.1. Khái niệm truyền động điện
Một hệ truyền động điện 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 cho 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 khí nén khí, chuyển động cho ổ đĩa máy tính, các robot,
các máy nghe nhạc, xem phim vv…
Ngày nay, truyền động điện tiêu thụ khoảng 50% năng điện sản xuất được
các hệ truyền động có thể thay đổi tốc độ hoặc chạy với tốc độ không đổi.

Hình 1.1: Truyền động tốc độ hằng

Hình 1.2: Truyền động tốc độ thay đổi
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 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.


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-6-

GVHD: Hà Thị Phương

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 mô men như máy công cụ, robot, truyền
động cho đĩa máy tính, các phương tiện chuyên chở…
Về cấu trúc, một hệ thống truyền động điện nói chung, bao gồm các
khâu:
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, vv….
Các bộ biến đổi thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát – động cơ,
các chỉnh lưu có điều khiển và không điều khiển, các bộ biến tần, vv…
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 3 pha không đồng bộ rotor lồng sóc hay dây
cuốn.
Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập, song song, nối tiếp, hỗn hợp hay
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Động cơ điện xoay chiều 3 pha có cổ góp.
Động cơ đồng bộ…

3-Khâu truyền lực dùng để truyền lực từ trục động cơ đến cơ cấu sản
xuất.
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 các 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 điều
chỉnh (regulator), các máy tính, các bộ vi xử lí…
Một hệ thống truyền động không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu như
đã nêu. Tuy nhiên, một hệ thống truyền động điện bất kì luôn bao gồm 2 phần
chính:
* Phần lực bao gồm bộ biến đổi và động cơ


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-7-

GVHD: Hà Thị Phương

* Phần điều khiển
Một hệ truyền động điện được gọi là hệ mở 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 1 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.
1.2. 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 làm 3 loại:
- Truyền động nhóm: dùng trong một động cơ điện để kéo một nhóm gồm

nhiều máy sản xuất.
-Truyền động đơn: dùng một động cơ 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 1 chiều dùng động cơ điện 1 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 tới 1 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 mô men. Thông số điện của hệ thay đổi được nhờ
các thiết bị điều khiển.
7) Phân loại theo thiết bị biến đổi


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-8-

GVHD: Hà Thị Phương

Hệ máy phát – động cơ (kí hiệu: F-Đ) động cơ 1 chiều được cấp điện từ
một máy phát điện 1 chiều (bộ biến đổi ở đây là máy phát)
* Hệ thống truyền động này có hệ máy điện khuếch đại - động cơ (kí
hiệu MĐKĐ-Đ). Trong đó, bộ biến đổi ở đây là MĐKĐ
* Hệ chỉnh lưu - động cơ (kí hiệu BCL-Đ) động cơ 1 chiều được cấp
điện từ 1 bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu
diode) hay có điều khiển (chỉnh lưu Thyristor: hệ T-Đ). vv…


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-9-

GVHD: Hà Thị Phương

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
2.1. Cấu tạo máy điện một chiều

Sau đây là một số sơ đồ của máy điện 1 chiều:

Hình 2.1: Sơ đồ của một máy điện 1 chiều với bộ phận kích từ song song

Hìn
từ
điện

h 2.2: Mạch
của một máy

2 cực

Hình 2.3: Cuộn dây kích từ trên một cực từ


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-10-

GVHD: Hà Thị Phương

Hình 2.4: Cấu tạo cổ góp

Hình 2.5: Cấu tạo chổi than
Máy điện một chiều cơ bản gồm 2 phần mạch điện: mạch kích từ và mạch
phần ứng.
Mạch kích từ hay còn hay gọi là stator gồm phần tĩnh là cuộn dây quấn
quanh các cực từ của stator.
Số cực từ là chẵn chúng sắp xếp xen kẽ theo cực tính nam-bắc. Cuộn kích
từ, dòng điện cũng như thông lượng của các cực từ là như nhau. Các cuộn dây
kích từ nối tiếp với nhau.
Dòng điện cung cấp cho cuộn kích từ nhằm tạo ra từ thông trong động cơ.
Mạch kích từ không phải là mạch tiêu thụ công suất nguồn chính trong động cơ.
Mạch phần ứng là mạch tiêu thụ công suất chính trong động cơ và nó nằm trên
phần roto. Các cuộn của dây của phần ứng đặt trong các rảnh phân bố trên bề
mặt của roto, độ rộng của một cuộn dây gọi là bước cuộn. Các cuộn dây trên
phần mạch ứng nối với nhau thành một mạch kín, kết thúc của cuộn này sẽ là bắt
đầu của cuộn tiếp theo và kết thúc của cuộn cuối cùng sẽ là bắt đầu của cuộn đầu
tiên, dòng một chiều đưa vào hay lấy ra từ dây cuốn phần ứng thông qua các
chổi than tỳ lên cổ góp. Cổ góp là một kết cấu hình trụ trên bề mặt có nhiều

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-11-

GVHD: Hà Thị Phương

phiến góp, số phiến góp bằng số cuộn dây và chúng được cách điện với nhau
bằng mica.
2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều

Khi đặt vào trong từ trường một giây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây
dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực vào dòng điện và làm dây dẫn chuyển
động. Chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Đây chính là
nguyên lý làm việc của động cơ nói chung
Về động cơ một chiều:
Từ trường trong động cơ tạo ra từ các cuộn dây gọi là cuộn cảm hay cuộn
kích từ. Do stator của động cơ có đặt các cuộn cảm nên thường gọi là phần cảm.
Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một lực vào các dây dẫn rotor đặt
trong các rảnh của rotor khi có dòng điện chạy qua. Cuộn dây này gọi là cuộn
ứng. Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than và cổ góp. Phần rotor mang
phần ứng nên gọi là phần ứng

1- cổ góp điện; 2- chổi than; 3- rotor;
4- cực từ; 5- cuộn cảm (cuộn kích từ);
6- stator; 7- cuộn ứng

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ 1 chiều
Giả sử các dây dẫn cuộn ứng nữa trên của rotor có dòng điện hướng

vào còn các dây dẫn của cuộn ứng ở nửa dưới rotor có dòng điện hướng ra như
hình vẽ. Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc
bàn tay trái sẽ tạo ra một mômen làm rotor quay ngược chiều kim đồng hồ.


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-12-

GVHD: Hà Thị Phương

Hình 2.7: Từ trường trong động cơ điện 1 chiều
a) Do cuộn cảm tạo ra
b) Do cuộn cảm ứng tạo ra
c) Do hai cuộn tổng hợp
Khi động cơ làm việc cuộn cảm tạo ra một từ trường Φd dọc trục cực từ
và phân bố đối xứng với cực từ. Mặt phẳng 00’ trên đó có đặt chổi than, vừa là
mặt phẳng trung tính hình học và cũng là mặt phẳng trung tính vật lý. Đồng thời
dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra một từ trường riêng Φn hướng ngang trục
cực từ. Từ trường tổng trong động cơ mất đi tính đối xứng dọc trục và khi này
mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc β (ngược chiều quay của rotor) so
với mặt phẳng trung tính hình học. Dòng điện cuộn ứng càng lớn thì Фn càng
mạnh đồng thời góc quay β càng lớn.


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-13-

GVHD: Hà Thị Phương

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
3.1. Khái niệm chung
Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong
một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị
đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha. Vì một
số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến
trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…
3.2. Phương trình đặc tính cơ:
Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta
phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động
cơ để từ đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc
lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một
chiều độc lập với nhau.

Hình 3.1: Sơ đồ nối dây của động cơ 1 chiều kích từ độc lập
Theo hình 3.1: ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng
Uư = Eư + (Rư + Rf) Iư (3.1)
Trong đó: Ưu: Điện áp đặt lên phần ứng động cơ, đơn vị là (V).
Eư: Sức điện động phần ứng, đơn vị là (V).
Rư: Điện trở của mạch phần ứng, đơn vị là (Ω ).
Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng, đơn vị là (C).
Iư: Dòng điện mạch phần ứng, đơn vị là (A ).
Với Rư = rư + rcf +rb + rct
Trong đó: rư điện trở cuộn dây phần ứng, đơn vị là (Ω)
rcf: Điện trở cuộn cực từ phụ, đơn vị là (Ω )
rb: Điện trở cuộn bù, đơn vị là (Ω )


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-14-

GVHD: Hà Thị Phương

rct: Điện trở tiếp xúc chổi điện, đơn vị là (Ω)
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức
sau:
= Φω = KΦω (3.2)
trong đó :
p: Số đôi cực từ chính
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Φ: Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ
Ω: Tốc độ góc (rad/s)
K Hệ số cấu tạo của động cơ
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì
Eư = keΦn (3.3)
Ω= =
Vì vậy

K Φn
Với ke = : Hệ số sức điện động của động cơ
Ke = 0.105 k

Thay (3.1) vào (3.2) và biến đổi ta được

ω = - Iư (3.4)
Biểu thức (3.4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác, mômen điện từ Mđt = kΦ Iu (3.5)

Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong
thép thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M,
tức là Mđt = Mcơ = M
Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là

ω = - M (3.6)
Biểu thức (3.6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập. Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang
trục làm giảm từ thông Φ của động cơ tức là xem Φ = const thì quan hệ
ω = f(M,I) là tuyến tính.


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-15-

GVHD: Hà Thị Phương

Hình 3.2: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Từ đồ thị ta có: khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có ω = = (3.7)

ω0:

được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, khi ω = ω0 ta có:

= = (3.8)
Và M = kΦ= (3.9)
Inm, Mnm: được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác phương thình đặc tính (3.4) và (3.6) cũng có thể viết dưới dạng:

Ω = - =- ∆ω (3.10)
Ω = - M =- ∆ω (3.11)
Vì = ta suy ra từ (3.5)
Trong đó R = + , =

∆ω ==M (3.12)
∆ω: được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I), ta có thể biểu
diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ
thông là định mức (Φ = Φ dm)
Trong đó ω* = , I* = , M* = , R* =
(/được gọi là điện trở cơ bản)
Từ (3.4) và (3.6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối
ω* = 1-R*I* (3.13)
ω* = 1- R*H* (3.14)
Độ cứng của đặc tính cơ:
Β = = (3.15)
Công suất (năng lượng điện)
Từ phương trình lý tưởng: IU = (Eư +IRư).I (3.16)


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-16-

GVHD: Hà Thị Phương

Ta có: Pđiện = Pđt + ∆P
Trong đó: Pđt = Eư công suất điện từ
Thực tế P điện = Pđt + ∆Pư + ∆P0 (3.17)
Với P0 tổn hao ma sát do sự quay

Từ biểu thức (3.4) hoặc (3.6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, Φ, U:
(ω = f (R, Φ, U) do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích
từ độc lập.
có ba phương pháp điều khiển sau:
- Điều khiển điện trở phụ phần ứng
- Điều khiển từ thông kích từ
- Điều khiển điện áp phần ứng
Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một
3.3. Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng ( Rf ):
Nguyên lý điều chỉnh: ∆
Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng
Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω = f(Rf, Φkt, U), giả thiết rằng:
Nếu giữ Φ = Φđm = const; U = Uđm = const; Rư = const thì ω = f(Rf)
Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một
điện trở phụ (Rf) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng.
Lúc này ta có: R = Rư + Rf
Từ phương trình đặc tính cơ: ω = - M
Từ phương trình trên ta thấy: khi tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ
giảm, khi giảm giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ tăng .
Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: = = const (3.18)
Còn độ cứng của đặc tính cơ: β = = var (3.19)
Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau:


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-17-

GVHD: Hà Thị Phương

Hình 3.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những
điện trở phụ khác nhau
Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm
và Mnm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ
khi khởi động.
- Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện
- Nhược điểm: Độ cứng đặc tính cơ thấp
Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn
Phạm vi điều chỉnh hẹp
3.4. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ:

Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một
chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kωIư và sức điện động
quay của động cơ Eư = kΦω

Hình 3.4: Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập.
Từ biểu thức (3.4) và (3.6) ta thấy ω = f(U, φkt, Rf), nếu giữ
U = Uđm = const và điện trở phần ứng Rư = const (Rf = 0) lúc này


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-18-

GVHD: Hà Thị Phương

ω = f (φkt). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi φkt, mà từ thông
kích từ do dòng kích từ sinh ra.
Vậy để điều chỉnh φkt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều

chỉnh φkt ta phải tuân theo điều kiện sau. Không thể tăng dòng kích từ Ikt lớn
hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi
φkt = φđm đã bảo hồ rồi, nếu muốn tăng Ikt thì φkt cũng không tăng đáng
kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φkt.
Trong trường hợp này ta có:
- Tốc độ không tải lý tưởng
= = var
Độ cứng của dặc tính cơ:
β = = var
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên
khi từ thông giảm thì ωx tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx
tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông.

Hình 3.5: Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi giảm từ thông.
Dòng điện ngắn mạch = = const
Mô men điện ngắn mạch: = k = var (>>)
Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0 < ω1 < ω2.
Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên tốc
độ cơ bản. Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φkt
Tốc độ không tải lý tưởng: = tăng


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-19-

GVHD: Hà Thị Phương

Độ cứng đặc tính cơ: β = giảm

Dải điều chỉnh không rộng: D =
Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ = φđm)
Tốc độ lớn nhất ω max bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch
của động cơ.
- Ưu điểm: Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thất năng lượng nhỏ
- Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8
nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng
nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.
3.5. Phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng thay
đổi điện áp phần ứng:

Từ phương trình đặc tính cơ (3.16): ω = - M
Giả thiết � = =const; = const, ( = 0), M = const .
Lúc này ω = f (). Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có:
Tốc độ không tải lý tưởng: = = var
Độ cứng của đặc tính cơ: β = = const
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau.

Với Uđm > U1> U2> U3>……….> Ui
Hình 3.6: Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi điện áp phần ứng thay đổi
Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ
song song với đặc tính tự nhiên.
Nhận xét:


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-20-

GVHD: Hà Thị Phương

Ưu điểm: Không gây ồn
Không gây tổn hao phụ trong động cơ
Dải điều chỉnh rộng D ≈ 10 : 1
Độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh
Dễ tự động hố
Nhược điểm: phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi
điện áp ra


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-21-

GVHD: Hà Thị Phương

CHƯƠNG 4: TRÌNH BÀY SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA
MẠCH
4.1. Tổng quan về vi điều khiển MCS-51
Họ vi điều khiển MCS-51 do Intel sản xuất đầu tiên vào năm 1980 là các
IC thiết kế cho các ứng dụng hướng điều khiển. Các IC này chính là một hệ
thống vi xử lý hoàn chỉnh bao gồm các các thành phần của hệ vi xử lý: CPU, bộ
nhớ, các mạch giao tiếp, điều khiển ngắt.
MCS-5 là họ vi điều khiển sử dụng cơ chế CISC (Complex Instruction Set
Computer), có độ dài và thời gian thực thi của các lệnh khác nhau. Tập lệnh
cung cấp cho MCS-51 có các lệnh dùng cho điều khiển xuất/nhập tác động đến
từng bit. MCS-51 bao gồm nhiều vi điều khiển khác nhau, bộ vi điều khiển đầu
tiên là 8051 có 4KB ROM, 128 byte RAM và 8031, không có ROM nội, phải sử
dụng bộ nhớ ngoài. Sau này, các nhà sản xuất khác như Siemens, Fujitsu, …

cũng được cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai.
MCS-51 bao gồm nhiều phiên bản khác nhau, mỗi phiên bản sau tăng
thêm một số thanh ghi điều khiển hoạt động của MCS-51.
4.2. Vi điều khiển AT89C51
AT89C51 là vi điều khiển do Atmel sản xuất, chế tạo theo công nghệ
CMOS có các đặc tính như sau:
- 4 KB perom (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có
khả năng tới 1000 chu kỳ ghi xoá
- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình
- 128 Byte RAM nội.
- 4 Port xuất/nhập I/O 8 bit.
- 2 bộ Timer/counter 16 Bit.
- 6 nguồn ngắt.
- Giao tiếp nối tiếp điều khiển bằng phần cứng.
- 64 KB vùng nhớ mã ngoài
- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài.
- Cho phép xử lý bit.
- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit.
- 4 chu kỳ máy (4 µs đối với thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân hoặc
chia.


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-22-

GVHD: Hà Thị Phương

- Có các chế độ nghỉ (Low-power Idle) và chế độ nguồn giảm (Powerdown). Ngoài ra, một số IC khác của họ MCS-51 có thêm bộ định thời thứ 3 và

256 byte RAM nội.
4.2.1. Sơ đồ khối IC 89S52

Hình 4.1: Sơ đồ khối AT89C51
AT89C51 gồm có 40 chân, mô tả như sau:


31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21

18

U4

EA/VPP
ALE/PROG
PSEN
P2.7-A15
P2.6-A14
P2.5-A13
P2.4-A12

P2.3-A11
P2.2-A10
P2.1-A9
P2.0-A8

P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
RST

8051

P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD

1
2
3
4

5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

XTAL2
XTAL1

20

19

P0.0(AD0)
P0.1(AD1)
P0.2(AD2)
P0.3(AD3)
P0.4(AD4)
P0.5(AD5)
P0.6(AD6)
P0.7(AD7)

GVHD: Hà Thị Phương

GND

39
38
37
36
35
34
33
32

-23-

VCC

40

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 4.2: AT89C51
 Port 0:
Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 – 39 của AT89C51:
- Chức năng IO (xuất/nhập): dùng cho các thiết kế nhỏ. Tuy nhiên, khi dùng
chức năng này thì Port 0 phải dùng thêm các điện trở kéo lên (pull-up), giá trị
của điện trở phụ thuộc vào thành phần kết nối với Port. Khi dùng làm ngõ ra,
Port 0 có thể kéo được 8 ngõ TTL. Khi dùng làm ngõ vào, Port 0 phải được set
mức logic 1 trước đó.
- Chức năng địa chỉ/dữ liệu đa hợp: khi dùng các thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử

dụng bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit) vừa là bus địa chỉ (8 bit
thấp). Ngoài ra khi lập trình cho AT89C51, Port 0 còn dùng để nhận mã khi lập
trình và xuất khi kiểm tra (quá trình kiểm tra đòi hỏi phải có điện trở kéo lên).
 Port 1:
- Port1 (chân 1 – 8) chỉ có một chức năng là IO, không dùng cho mục đích
khác (chỉ trong 8032/8052/8952 thì dùng thêm P1.0 và P1.1 cho bộ định thời thứ
3). Tại Port 1 đã có điện trở kéo lên nên không cần thêm điện trở ngoài. Port 1
có khả năng kéo được 4 ngõ TTL và còn dùng làm 8 bit địa chỉ thấp trong quá
trình lập trình hay kiểm tra.
- Khi dùng làm ngõ vào, Port 1 phải được set mức logic 1 trước đó.
 Port 2:


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-24-

GVHD: Hà Thị Phương

- Port 2 (chân 21 – 28) là port có 2 chức năng:
- Chức năng IO (xuất/nhập): có khả năng kéo được 4 ngõ TTL.
- Chức năng địa chỉ: dùng làm 8 bit địa chỉ cao khi cần bộ nhớ ngoài có địa chỉ
16 bit. Khi đó, Port 2 không được dùng cho mục đích IO. Khi dùng làm ngõ vào,
Port 2 phải được set mức logic 1 trước đó. Khi lập trình, Port 2 dùng làm 8 bit
địa chỉ cao hay một số tín hiệu điều khiển.
 Port 3:
Port 3 (chân 10 – 17) là port có 2 chức năng:
- Chức năng IO: có khả năng kéo được 4 ngõ TTL. Khi dùng làm ngõ vào, Port
3 phải được set mức logic 1 trước đó.
- Chức năng khác: mô tả như bảng 4.1

Bảng 4.1: Chức năng các chân của Port 3
Bit
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7

Tên
RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
RD

Chức năng
Ngõ vào port nối tiếp
Ngõ ra port nối tiếp
Ngắt ngoài 0
Ngắt ngoài 1
Ngõ vào của bộ định thời 0
Ngõ vào của bộ định thời 1
Tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài.
Tín hiệu điều khiển đọc từ bộ nhớ dữ liệu ngoài.

• Nguồn:
Chân 40: VCC = 5V ± 20%
Chân 20: GND
• PSEN (Program Store Enable): PSEN (chân 29) cho phép đọc bộ nhớ chương
trình mở rộng đối với các ứng dụng sử dụng ROM ngoài, thường được nối đến
chân OC (Output Control) của ROM để đọc các byte mã lệnh. PSEN sẽ ở mức
logic 0 trong thời gian AT89C51 lấy lệnh. Trong quá trình này, PSEN sẽ tích
cực 2 lần trong 1 chu kỳ máy. Mã lệnh của chương trình được đọc từ ROM
thông qua bus dữ liệu (Port0) và bus địa chỉ (Port0 + Port2). Khi 8951 thi hành
chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức logic 1. ALE/PROG (Address
Latch Enable/Program):
• ALE/ PROG (chân 30): Cho phép tách các đường địa chỉ và dữ liệu tại Port 0
khi truy xuất bộ nhớ ngoài. ALE thường nối với chân Clock của IC chốt (74373,


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

-25-

GVHD: Hà Thị Phương

74573). Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip
và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống. Xung
này có thể cấm bằng cách set bit 0 của SFR tại địa chỉ 8Eh lên 1. Khi đó, ALE
chỉ có tác dụng khi dùng lệnh MOVX hay MOVC. Ngoài ra, chân này còn được
dùng làm ngõ vào xung lập trình cho ROM nội (PROG).
• EA /VPP (External Access): EA (chân 31) dùng để cho phép thực thi chương
trình từ ROM ngoài. Khi nối chân 31 với Vcc, AT89C51 sẽ thực thi chương
trình từ ROM nội (tối đa 8KB), ngược lại thì thực thi từ ROM ngoài (tối đa

64KB).
Ngoài ra, chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho ROM.
• RST (Reset): RST (chân 9) cho phép reset AT89C51 khi ngõ vào tín hiệu đưa
lên mức 1 trong ít nhất là 2 chu kỳ máy.
• X1,X2: Ngõ vào và ngõ ra bộ dao động, khi sử dụng có thể chỉ cần kết nối thêm
thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ. Tần số thạch anh thường sử dụng
cho AT89C51 là 12Mhz.
33p
GND

C11
33p

XTAL1
X1
XTAL2

C12

Hình 4.3: Mạch dao động chíp
4.2.2. Định thì chu kỳ máy
Một chu kỳ máy bao gồm 6 trạng thái (12 xung clock). Một trạng thái bao
gồm 2 phần ứng với 12 xung clock: Phase 1 và Phase 2. Như vậy, một chu kỳ
máy bao gồm 12 xung clock được biểu diễn từ S1P1 đến S6P2 (State 1, Phase 1
- State 6, Phase 2). Chu kỳ lấy lệnh và thực thi lệnh mô tả như hình 4.4.
Tín hiệu chốt địa chỉ ALE tích cực 2 lần trong một chu kỳ máy (trong khoảng
thời gian S1P2 đến S2P1 và từ S4P2 đến S5P1). Từ đó tần số xung tại chân ALE
bằng 1/6 tần số thạch anh.
Đối với các lệnh thực thi trong 1 chu kỳ:
- Lệnh 1 byte: được thực thi tại thời điểm S1P2 sau khi mã lệnh được chốt vào

thanh ghi lệnh tại S1P1.