Thiết kế thiết bị đo và điều khiển tốc độ của động cơ DC theo nhiệt độ phòng

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài tốt nghiệp trong chƣơng trình
đào tạo cử nhân nghành công nghệ kĩ thuật cơ điện của trƣờng Đại học Lâm nghiệp
Việt Nam, tôi nhận đƣợc sự ủng hộ, giúp đỡ tận tình của các thầy cơ, bạn bè và gia
đình. Nhân dịp này, tơi xin đƣợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến ThS Đinh Hải Lĩnh
và thầy KS Nguyễn Thành Trung– ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi hồn
thành khóa luận tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ
mơn cơ điện cơng trình – khoa cơ điện cơng trình trƣờng Đh Lâm nghiệp Việt Nam
ln giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong q trình thực hiện đề tài.
Qua đây, tơi cũng xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trƣờng Đại học
Lâm nghiệp Việt Nam đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi, để đề tài hồn thành đứng
tiến độ. Tuy đã có nhiều cố gắng nhƣng do thời gian nghiên cứu không nhiều và hạn
chế của bản thân nên đề tài khóa luận sẽ khơng tránh khỏi khiếm khuyết. Tơi rất
mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn để học hỏi và
hồn thiện hơn. Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2017
Tác giả


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC HÌNH
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC(ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU) VÀ BỘ
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ATMEGA16 .......................................................................... 2
1.1. Động cơ điện một chiều.......................................................................................... 2
1.1.1. Cấu tạo ................................................................................................................. 2
1.1.2. Nguyên lý làm việc .............................................................................................. 2
1.1.3. Phần chính ........................................................................................................... 3
1.1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: .............................................. 4
1.1.5 Phân loại ............................................................................................................... 5

1.2. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều ........................................... 5
1.2.1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều ............................................ 5
1.2.2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều .......................................................... 7
1.3. Vi điều khiển ATmega16 ..................................................................................... 13
1.3.1. Vi điều khiển ATmega16 .................................................................................. 13
CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ DC SỬ DỤNG ATMEGA16 .. 21
2.1 Cấu trúc của bộ điều khiển ................................................................................... 21
2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển ............................................................... 22
2.3. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển động cơ DC ................................................ 22
CHƢƠNG 3 CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC ..................................... 25
3.1. Chuẩn bị các thiết bị chính ................................................................................... 25
3.2. Thiết kế mạch ....................................................................................................... 25
3.3. Lập trình cho vi điều khiển ................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1:Sơ đồ ngun lý làm việc của động cơ điện 1 chiều ...................................... 4
Hình 1.2 Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập ...................................... 4
Hình 1.3: Mạch cầu H sử dụng ...................................................................................... 5
Hình 1.4: Dịng điện chạy trong mạch cầu H ở chế độ quay thuận. .............................. 6
Hình 1.5: IC L298 và sơ đồ chân................................................................................... 6
Hình 1.6: Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lƣu:.......................................... 8
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý và tƣơng đƣơng của bộ điều chỉnh xung áp. ...................... 8
Hình 1.8: Biểu đồ thời gian điện áp và dịng điện. ........................................................ 9
Hình 1.9: Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ. ........................................................... 10
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều
dùng transistor. ............................................................................................................ 11
Hình 1.11: Mạch đảo chiều động cơ dùng transistor và khuếch đại thuật tốn. ......... 11
Hình 1.12: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng diode và thyristor. ....... 13

Hình 1.13: Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16. ................................................ 13
Hình 1.14:Sơ đồ chân của ATmega16......................................................................... 15
Hình 1.15 sơ đồ nguồn ni mạch atmega ................................................................. 17
Hình 1.16: Sơ đồ đơn vị đếm....................................................................................... 18
Hình 1.17: Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra ...................................................................... 19
Hình 1.18: Lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời..................................................... 19
Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ DC .................................................. 21
Hình 2.2: mơ phỏng mạch trên proteus ....................................................................... 23
Hình 2.3: mạch broad sau khi đã đi dây hồn chỉnh ................................................... 24
Hình 2.4: mạch 3D sau khi lắp những thiết bị ............................................................. 24
Hình 3.1: mạch broad sau khi đã đi dây hồn chỉnh ................................................... 26
Hình 3.2 hình chíp đồng .............................................................................................. 26
Hình 3.3 làm sạch mạch .............................................................................................. 27
Hình 3.4 là mạch tạo mạch .......................................................................................... 27
Hình 3.5 ngâm mạch vào dung dịch tạo mạch ............................................................ 28
Hình 3.6 vệ sinh máchau khi làm xong mạch ............................................................. 28
Hình 3.7 khoan chân linh kiện ..................................................................................... 29
hình 3.8 gắn linh kiện .................................................................................................. 29
Hình 3.9 hoàn thành sản phẩm .................................................................................... 30


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ vi điện tử các hệ thống điều khiển
dần dần đƣợc tự động hoà. Với những kỹ thuật tiên tiến nhƣ vi xử lý, vi điều khiển
đƣợc ứng dụng vào các lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thơ sơ,
với tốc độ xử lý chậm ít chính xác đƣợc thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động
với các lệnh chƣơng trình đã đƣợc thiết lập trƣớc.
Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp,việc đo và khống chế nhiệt
độ tự động là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng. Vì nếu nắm bắt đƣợc nhiệt
độ làm việc của hệ thống, dây chuyền sản xuất ,giúp ta biết đƣợc tình trạng làm việc

của các u cầu và có những xử lý kịp thời để tránh hƣ hỏng và giải quyết các xự cố
xảy ra.
Trong các ứng dụng liên quan đến truyền động, một thành phần gần nhƣ không
thể thiếu đó là các động cơ điện, nó có tác dụng gây ra các lực làm các cơ cấu chấp
hành hoạt động.Động cơ điện có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, nhất là trong sản
xuất công nghiệp.Việc điều khiển đƣợc tốc độ cũng nhƣ chiều quay của nó cũng là
một vấn đề cần giải quyết. Kết hợp với vi điều khiển, việc điều khiển động cơ trở lên
dễ dàng hơn rất nhiều.
Để đáp ứng đƣợc yêu cầu đo và không chế nhiệt độ tự động, thì có nhièu
phƣơng pháp để thực hiện. Nghiên cứu khảo sát các vi xử lý và vi điều khiển, nhóm
chúng em đã thấy rằng việc khống chế nhiệt độ bằng động cơ bƣớc có nhiều ƣu điểm
nhƣ: dễ dàng điều khiển vận tốc động cơ để khống chế nhiệt độ nhờ vào quạt gió
Do trong điều kiện hạn chế về kinh tế, thời gian và trình độ nên em chỉ hạn hẹp
dừng lại ở việc mô phỏng điều chỉnh vận tốc động cơ tự động theo nhiệt độ môi
trƣờng và phần nhiệt độ môi trƣờng này đƣợc hiện thị thơng qua Led 7 thanh Chính vì
lẽ đó sinh viên đã chọn đề tài “ Thiết kế thiết bị đo và điều khiển tốc độ của động
cơ DC theo nhiệt độ phòng” cũng nhƣ sử dụng và tiếp cận vi điểu khiển
ATMEGA16. Đồ án gồm 3 chƣơng:
Chƣơng I: Tổng quan về động cơ điện một chiều và vi điều khiển ATmega16
Chƣơng II: Thiết kế bộ điều khiển động cơ DC sử dụng ATmega16
Chƣơng III: Chế tạo bộ điều khiển động cơ DC theo nhiệt độ phòng

1


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC(ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU) VÀ BỘ ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ATMEGA16
1.1. Động cơ điện một chiều
1.1.1. Cấu tạo

Cấu tạo của động cơ điện gồm stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp.
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn
kích thích) gồm các bối dây đặt trong rãnh của lõi sắt.Số lƣợng cực từ chính phụ thuộc
tốc độ quay.Đối với động cơ công suất nhỏ, ngƣời ta có thể kích từ bằng nam châm
vĩnh cửu.
Rotor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để
đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều đƣợc đƣa vào phần ứng qua
lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực tùy theo độ mịn của chổi than.
Chổi than – vành góp có chức năng đƣa điện áp một chiều vào cuộn dây phần
ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lƣợng chổi than bằng số
lƣợng cực từ (một nửa có cực tính dƣơng và một nửa có cực tính âm).
1.1.2. Ngun lý làm việc
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn
kích từ sẽ xuất hiện dịng kích từ ik và do đó mạch từ của mách sẽ có từ thơng Φ. Tiếp
đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một
dòng điện I chạy qua. Tƣơng tác giữa dòng điện phần ứng và từ thơng kích thích tạo
thành moment điện từ.Moment điện từ này kéo cho phần ứng quay quanh trục. Giá trị
của moment điện từ đƣợc tính bằng cơng thức:

m

p.n
I  k  I
2 a

Trong đó: p là số đôi cực của động cơ điện; n là số thanh dẫn phần ứng dƣới
một cực từ; a là số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng; k là hệ số kết cấu
của máy.
Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều
Khi có một dịng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,

cạnh phía bên cực dƣơng sẽ bị tác động bởi một lực hƣớng lên, trong khi cạnh đối diện

2


lại bị tác động bằng một lực hƣớng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming.
Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor
quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dịng điện sau
mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các
đƣờng sức từ trƣờng. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 900 so
với phƣơng ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.
Trong các máy điện một chiều lớn, ngƣời ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều
phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dịng điện và lực quay đƣợc liên tục và hầu
nhƣ không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.
Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều

E  K
V  E  Ru I u
M  K I u
Với: Φ: Từ thơng trên mỗi cực (Wb)
Iu: dịng điện phản ứng (A)
V: điện áp phản ứng (V)
Ru: điện trở phản ứng (Ω)
ω: tốc độ của động cơ (rad/s)
M: moment động cơ (N/m)
K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.
1.1.3. Phần chính
- Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trƣờng gồm có lõi sắt cực
từ và dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng
những lá thép kỹ thuật điện. Cực từ đƣợc gắn chặt vào vỏ nhờ các bulơng.

Dây quấn kích từ đƣợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi
chiều
- Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
- Các bộ phận khác:
+Nắp máy.
+Cơ cấu chổi than.

3


1.1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:
b

A

F® t

n

I

+
a
I
c
F

®t

d

B

-

Hình 1.1:Sơ đồ ngun lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng
có dịng điện Iƣ các thanh dẫn ab, cd có dịng điện nằm trong từ trƣờng sẽ chịu lực điện
từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay
trái. Khi phần ứng quay đƣợc nửa vịng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có
phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi đảm bảo động cơ
có chiều quay khơng đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trƣờng sẽ cảm ứng
sức điện động Eƣ chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eƣ ngƣợc chiều với dòng điện Iƣ nên Eƣ
còn gọi là sức phản điện động.
Phƣơng trình cân bằng điện áp: U= Eƣ+Rƣ.Iƣ
Trong đó:

Rƣ: điện trở phần ứng
Iƣ: dòng điện phần ứng
Eƣ: sức điện động

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích
rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dịng điện kích từ khơng phụ
thuộc vào dịng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ
tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
+

-

U-

I

E
KT

IKT
+

UKT

-

Hình 1.2 Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

4


1.1.5 Phân loại
- Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ một chiều kích từ độc lập (phần ứng và phần kích từ đƣợc cung cấp
bởi hai nguồn riêng rẽ).
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích đƣợc mắc nối tiếp
với phần ứng.
- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích đƣợc mắc song
song với phần ứng.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có 2 cuộn dây kích thích, một cuộn
mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng.

1.2. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều
1.2.1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều
Đảo chiều quay của động cơ điện một chiều đƣợc thực hiện dễ dàng bằng cách
thay đổi chiều dòng điện cấp vào động cơ điện là có thể thay đổi đƣợc chiều quay của
động cơ.
Một số phƣơng pháp điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều:
- Sử dụng cơng tắc: nối vào một cơng tắc có 3 nấc, khi gạt cơng tắc sang phải
thì động cơ quay theo chiều thuận, gạt về giữa thì động cơ dừng, gạt sang trái thì động
cơ quay ngƣợc lại. Nguyên tắc đó là đảo chiều của nguồn cung cấp vào động cơ.
- Sử dụng mạch cầu H điều khiển: linh kiện sử dụng trong mạch cầu có thể là
diode, transistor BJT, transistor trƣờng ( nhƣ hình 1.1).

Hình 1.3: Mạch cầu H sử dụng
a- transistor PNP – NPN; b- MOSFET; c- Relay

5


Ngun tắc hoạt động: (phân tích với hình a, các hình khác tƣơng tự) ở chế độ
quay thuận, tín hiệu điều khiển cấp vào 4 transistor với điều kiện là vào Q1 = 0, Q2 =
1; Q3 = 0; Q4 = 1, dòng điện sẽ đi theo chiều từ nguồn cấp vào Q1, qua động cơ vào
Q4 xuống đất ( nhƣ hình 1.2).

Hình 1.4: Dịng điện chạy trong mạch cầu H ở chế độ quay thuận.
Ở chế độ quay ngƣợc, Q1 = 1, Q2 = 0; Q3 = 1; Q4 = 0, dòng điện sẽ đi từ Q2
qua động cơ về Q3 xuống đất. Nhƣ vậy là đã làm cho động cơ quay theo chiều ngƣợc
lại. Muốn cho động cơ dừng khơng quay thì cho Q1, Q3 và Q2, Q4 cùng mức là đƣợc.
- Sử dụng các IC chuyên dụng: các IC chuyên dụng dùng để điều khiển động
cơ có thể dễ dàng tìm thấy nhƣ L293, L293D, L298, L298N, …

Hình 1.5: IC L298 và sơ đồ chân.
IC L298 đƣợc tích hợp sẵn bên trong hai mạch cầu H do đó có thể điều khiển
đƣợc hai động cơ một chiều với chỉ một IC L298. Hai chân OUTPUT1 và OUTPUT2
cho động cơ 1 và hai chân OUTPUT3 và OUTPUT4 là cho động cơ thứ 2.Chân
INPUT1 đƣa tín hiệu điều khiển động cơ 1, chân INPUT2 đƣa tín hiệu điều khiển
động cơ 2. Để điều khiển chiều quay của động cơ một chiều thì cần đƣa chân INPUT

6


lên mức 1, khi đó, với 1 động cơ, giả sử ở chân OUT1 và OUT2, đề điều khiển quay
thuận thì cho OUT1 = 1, OUT2 = 0; điều khiển quay ngƣợc thì cho OUT1 = 0, OUT2
= 1; dừng động cơ thì cho đồng thời OUT1 = OUT2 = 1 hoặc OUT1 = OUT2 = 0. Với
hai chân OUT3 và OUT4 thì làm tƣơng tự sau khi đã đƣa INPUT2 lên mức 1.
1.2.2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Điều khiển tốc độ động cơ điện là một u cầu cần thiết vì có những máy móc
hoạt động với những tốc độ khác nhau, nhanh chậm tùy loại, tùy công việc và điều
kiện làm việc.Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp
có thể sử dụng cho các động cơ một chiều và động cơ khơng đồng bộ.Tuy vậy thì nó
đƣợc sử dụng chủ yếu cho động cơ một chiều kích từ độc lập. Phƣơng trình đặc tính cơ
của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:



U Ru  Rpu

M
k
(k )2

Trong đó:
Ru và Rpu là điện trở phần ứng và điện trở phụ mắc nối tiếp trong phần ứng.
K: hằng số
M: moment của động cơ
Φ: từ thông trên mỗi cực
U: điện áp cung cấp.
Nhƣ vậy, khi Ru, Rpu, M, k, Φ khơng đổi, nếu thay đổi U thì tốc độ góc ω của
động cơ sẽ thay đổi.
Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn:
Để thực hiện phƣơng pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp
mà điện áp của nó có thể thay đổi đƣợc để cung cấp cho phần ứng của động cơ.Các
nguồn điện áp này thƣờng đƣợc tạo ra bởi một bộ chỉnh lƣu bán dẫn có điều khiển
(dùng thyristor) hoặc khơng có điều khiển (dùng diode).

7


Hình 1.6: Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lƣu:
a- khơng có điều khiển; b- có điều khiển.
Hình a: thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ bằng sử dụng bộ điều chỉnh
điện áp.
Hình b: điện áp đặt lên phần ứng động cơ phụ thuộc góc mở của thyristor của
bộ chỉnh lƣu có điều khiển.
Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp
Phƣơng pháp điều chỉnh này là đóng ngắt động cơ vào nguồn cung cấp một
cách có chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, năng lƣợng đƣợc đƣa từ nguồn
vào động cơ.Năng lƣợng này phần chủ yếu đƣợc truyền qua trục của động cơ, phần
còn lại đƣợc tích ở dạng động năng và năng lƣợng điện từ.Khi ngắt động cơ ra khỏi
nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ năng lƣợng tích lũy đó.

Hình 1.7: Sơ đồ ngun lý và tƣơng đƣơng của bộ điều chỉnh xung áp.

8


Hình 1.8: Biểu đồ thời gian điện áp và dịng điện.
Nhờ một khóa chuyển đổi K mà phần ứng động cơ đƣợc đóng, ngắt một cách
có chu kỳ vào nguồn điện một chiều có điện áp khơng đổi. Trong khoảng thời gian t1
khóa K đóng, động cơ đƣợc cấp nguồn, nếu bỏ qua sự sụt áp trên khóa K thì Ut = U.
Trong khoảng thời gian t2 khóa K ngắt. Do ảnh hƣởng của các điện cảm phía một
chiều, dịng điện cảm ứng iu tiếp tục chạy qua diode D. Điện áp Ut ở giai đoạn này
bằng sụt áp thuận trên diode nhƣng ngƣợc dấu Ut = UD.
Từ đồ thị, nhận thấy trị số trung bình của dịng điện trong phần ứng itb quyết
định tốc độ động cơ. Do đó để thay đổi tốc độ động cơ chỉ cần thay đổi trị số của dịng
điện trung bình trong phần ứng itb. Để thay đổi dịng điện trung bình itb có thể thay đổi
t1 hoặc t2 hoặc cả t1 và t2. Nếu giữ nguyên chu kỳ đóng cắt của khóa (Tck = const)
thay đổi t1 thì có phƣơng pháp điều chỉnh xung theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời
gian đóng khóa (t1 = const) và thay đổi t2 thì có phƣơng pháp điều chỉnh tần số xung.
Phƣơng pháp biến đổi độ rộng xung đƣợc xử dụng phổ biến hơn vì nó cho
phạm vi điều chỉnh rộng hơn. Phƣơng pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản
hơn nhƣng phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck sẽ tiến đến vơ cực,
nghĩa là về thực chất ý nghĩa điều chỉnh xung khơng cịn tác dụng.

9


Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp một chiều và có đổi chiều quay
Sơ đồ nguyên lý thực hiện đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập
theo phƣơng pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ:

Hình 1.9: Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ.
Các cặp van K1 và K3, K2 và K4 thay nhau đóng, ngắt. Thực hiện đảo chiều
bằng cách: trong thời gian t1 cho K1 và K3 đóng (K2 và K4 ngắt) đầu A của phần ứng
đƣợc nối với dƣơng nguồn, đầu B đƣợc nối âm nguồn. Trong khoảng thời gian t2 cho
K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt) thì đầu B của phần ứng đƣợc nối với dƣơng nguồn
còn đầu A của phần ứng đƣợc nối với âm nguồn. Khi đó điện áp trung bình trên phần
ứng động cơ đƣợc tính bằng cơng thức:

U tb 

U (t1  t2 )
Tck

Nhƣ vậy bằng cách biến đổi t1 và t2 thì có thể biến đổi đƣợc trị số của Utb và
còn thay đổi đƣợc dấu của nó, nhƣ vậy là có thể điều chỉnh đƣợc cùng lúc tốc độ và
chiều quay.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều dùng transistor

10


Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều
khơng đảo chiều dùng transistor.
T1 đóng vai trò tầng khuếch đại sơ bộ mắc theo kiểu Collector chung (mạch lặp
Emiter). T2 và T3 là tầng khuếch đại cơng suất mắc theo kiểu Darlington để có cơng
suất lớn. Chức năng của mchj do T2 quyết định còn T3 có tác dụng khuếch đại dịng
điện ra.
Ngun lý hoạt động: khi có xung điều khiển Uv đƣa vào bazor của T1 sẽ tạo thiên
áp cho T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên emitor của T1 đƣa vào bazor của T2 làm cho T2
và T3 làm việc dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ đƣợc khuếch đại lên. Xung điều

khiển có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh tần số xung dẫn đến Ube của T1 thay đổi làm
cho Uce của T1 thay đổi theo, qua khuếch đại công suất T2 và T3 làm cho điện áp đặt vào
phần ứng của động cơ một chiều thay đổi do đó tốc độ thay đổi.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều dùng transistor và OPAM

Hình 1.11: Mạch đảo chiều động cơ dùng transistor và khuếch đại thuật toán.

11


Mạch gồm 2 tầng khuếch đại:
- Tầng 1 là khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng khuếch đại thuật tốn uA741.
- Tầng 2 là tầng khuếch đại cơng suất dùng T1, T2, T3, T4 ghép kiểu
darlington. Điện áp cung cấp cho tầng khuếch đại công suất là ±12V. Mạch phản hồi
âm đƣợc báo từ đầu ra cuối cùng của khuếch đại thuật toán. D1, D2 là 2 diode ổn định
điện áp cho khuếch đại thuật toán. Tụ C1 và C2 cùng với R10 có tác dụng lọc thành
phần xoay chiều do động cơ làm việc ở chế độ máy phát phát ra khi đổi chiều quay. Rf
là điện trở mạch phản hồi.
Ngun lý làm việc:
Khi Udk có cực tính dƣơng thì ở chân 6 của KĐTT có điện áp âm đặt vào
bazor của T1 và T2 do T1 là loại NPN và T2 là loại PNP do đó T1 khóa cịn T2 dẫn.
Khi T2 dẫn thì nguồn âm (-12V) qua R5, qua T2 (đang dẫn) đặt vào bazor của T3 và
T4. Do T3 cũng là loại NPN, T4 là PNP do đó T3 bị khóa cịn T4 dẫn.. Do T2 và T4
dẫn nên có dùng điện đi từ 0 qua động cơ, qua T4 rồi về nguồn âm (-12V), động cơ
quay theo một chiều nhất định.
Nguyên tắc giữ ổn định tốc độ động cơ: giả sử tốc độ động cơ giảm dòng điện
Id tăng làm điện áp tại đầu ra là UR giảm. Thông qua điện trở phàn hổi Rf, điện thế ở
đầu vào chân 2 của khuếch đại thuật tốn tăng lên vì U2 = Udk – UR và Udk = const nên
UR giảm thì U2 tăng. Khi điện áp ở đầu vào 2 của khuếch đại thuật tốn tăng lên thì
điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng theo làm cho UR tăng làm tốc độ động cơ tăng. Ngƣợc lại

khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dƣơng đặt vào bazo của T1 và T2. Lúc
này T1 và T3 dẫn còn T2 và T4 khóa, do đó sẽ có dịng đi từ nguồn (+12V) qua T3
qua động cơ rồi về 0 làm động cơ quay chiều ngƣợc lại.
Điều chỉnh tốc độ động cơ dùng thyristor.
Thyristor đƣợc dùng trong điều khiển động cơ công suất lớn và điện áp phần
ứng cao. Trong điều khiển động cơ cơng suất thấp thì ít dùng vì giá thành cao.

12


Hình 1.12: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều dùng diode và thyristor.
D1, D2, D3, D4 phối hợp tạo thành mạch cầu chỉnh lƣu hai nửa chu kỳ.
L và D5 có tác dụng san bằng dịng điện.
Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lƣu.
1.3. Vi điều khiển ATmega16
Tổ ng quan về atmega16

1.3.1. Vi điều khiển ATmega16

Hình 1.13: Hình ảnh thực tế vi điều khiển Atmega16.
Các tính năng của Atmega16 :
-

Hiệ u xuấ t cao ( high performance ), là loại vi điều khiển AVR 8 bit công
suấ t thấp

13


-

Cấ u trúc lệnh đơn giản, thời gian thực thi lệnh nhƣ nhau ( thật ra là

Advanced RISC Architecture )
o 130 lệnh thực thi trong vịng 1 chu kì chip
o 32 x 8 thanh ghi công dụng chung ( chắc là 32 thanh ghi công
dụng chung 8 bit )
o Đầy đủcác sửlí tĩnh
o Hỗtrợ16 MIPS khi hoạt độngởtần số16 MHz
o Tích hợp bộnhân 2 thực hiện trong 2 chu kì chip
- Bộ nhớ chƣơng trình và d ữ li ệu không bay hơi ( nonvolatile )
o 16k byte trong hệthống flash khảtrình có thểnạp và xóa 1,000
lần
o Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ
thống bằng cách vào chƣơng trình khởi động chip
o 512 byte EEPROM có thểghi và xóa 100,000 lần
o 1k byte ram nhớtĩnh trong ( internal SRAM )
o Lập trình khóa cho phần mềm bảo mập
- Tính năng ngoạ i vi
đ ○ 2 bộ định thời/bộ đếm ( timers/counters ) 8 bit với các chế độ đếm
ế
m
riêng rẽ và kiểu so sánh
○ 1 bộ định thời/bộ đ ếm ( timer/counter ) 16 bit với các chế độ đếm
riêng r ẽ, kiểu so sánh và ki ểu bắt sự kiện
○ Bộ đếm thời gian thực với máy giao động riêng rẽ
○ 4 kênh băm xung PWM
○ 8 kênh ADC 10 bit
○ Byte định hƣớng 2 đƣờng giao tiếp nối tiếp
○ Giao tiếp USART nối tiếp khả trình

○ Giao tiếp SPI nối tiếp chủ/t ớ ( master/slave )
○ Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của chip 1 cách riêng rẽ
○ Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tƣơng tự
- Giao tiếp JTAG

14


- Các tính năng đặt bi ệt của vi điều khiển
○ Chế độ bậ t nguồn reset và phát hiện Brown-out khả trình
○ Tích hợp mạch dao động RC bên trong
○ Các ngắt trong và ngoài
○ 6 chế độ nghỉ : rảnh rỗi,giảm nhiễu ADC, Tiết kiệm năng lƣợng,
nguồn thấp, Standby và Extended Standby
- Vào/ra và các gói dữ liệu
○ 32 chân vào ra khả trình
○ 40-pin PDIP and 44-lead TQFP
- Điện áp sử dụng
○ 2.7 – 5.5V dùng với atmega16L
○ 4.5 – 5.5V dùng với atmega16 - Tốc độ xung nhịp dùng cho chip
○ 0 – 8 MHz cho atmega16L ○ 0 – 16 MHz cho atmega16

Hình 1.14:Sơ đồ chân của ATmega16

15


Atmega16 gồm có 40 chân:
- Chân 1 đến 8 : Cổng nhập xuất d ữ liệu song song B ( PORTB ) nó có thể
đc sử dụng các chức năng đặc bi ệt thay vì nhập xuất dữ liệu

- Chân 9 : RESET để đƣa chip về trạng thái ban đầu - Chân
10 : VCC cấ p nguồn nuôi cho vi đi ều khiển
- Chân 11,31 : GND 2 chân này đc nối với nhau và nối đất
- Chân 12,13 : 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đƣa xung nhịp từ bên
ngoài vào chip
- Chân 14 đ ến 21 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song D ( PORTD ) nó có thể
đc sử dụng các ch ức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu
- Chân 22 đến 29 : C ổng nhập xuất dữ li ệu song song C ( PORTC ) nó có
thể đc sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu
- Chân 30 : AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC Chân 32 : AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC
- Chân 33 đến 40 : Cổng vào ra dữ liệu song song A ( PORTA ) ngồi ra nó
cịn đc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu t ƣơng tự sang tín hi ệu số
ADC ( analog to digital converter 2,
Vào ra của vi điều khiển
PORTA ( PA7 … PA0 ) : là các chân số 33 đến 40. Là c ổng vào ra song song
8 bít khi khơng dùng ở chế độ ADC. Bên trong có sẵn các điện trở kéo, khi PORTAlà
output thì các điện trở kéo ko hoạt động , khi PORTA là input thì các điện trở kéo đc
kích hoạt.
PORTB ( PB7 ... PB0 ) : là các chân số 1 đến 8. Nó tƣơng tự nhƣ PORTA khi
sử dụng vào ra song song.Ngoài ra các chân của PORTB cịn có các chức năng đặ t biệ
t sẽ đc nhắ c đến sau.
PORTC ( PC7 ... PC0 ) : là các chân 22 đ ến 30. Cũng giống PORTA và
PORTB khi là cổng vào ra song song. N ếu giao tiếp JTAG đc bật, các trở treo ở các
chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) sẽ hoạt đ ộng khi sự kiện reset s ảy ra. Chức
năng giao tiếp JTAG và 1 số chức năng đặc biệt khác sẽ đc nghiên cứu sau.

16


PORTD ( PD7 ... PD0 ) : là các chân 13 đến 21. Cũng là 1 cổng vào ra song

song giống các PORT khác, ngồi ra nó cịn có 1 số tính năng đặc biệt sẽ đc nghiên
cứu sau.
mạch cấp nguồn ni cho vi điều khiển

Hình 1.15 sơ đồ nguồn nuôi mạch atmega

1.3.2 Bộ định thời
Bộ định thời (timer/counter) là một module định thời/đếm 8 bit, có các đặc
điểm sau:
+ Bộ đếm một kênh
+ Xóa bộ định thời khi trong mode so sánh
+ PWM
+ Tạo tần số
+ Bộ đếm sự kiện ngoài
+ Bộ chia tần 10 bit
+ Nguồn ngắt tràn bộ đếm và so sánh
TCNT0 và OCR0 là các thanh ghi 8 bit. Các tín hiệu yêu cầu ngắt đều nằm
trong thanh ghi TIFR. Các ngắt có thể đƣợc che bởi thanh ghi TIMSK.
Bộ định thời có thể sử dụng xung clock nội thơng qua bộ chia hoặc xung clock
ngồi trên chân T0. Khối chọn xung clock điều khiển việc bộ định thời bộ đếm sẽ

17


dùng nguồn xung nào để tăng giá trị của nó. Ngõ ra của khối chọn xung clock đƣợc
xem là xung clock của bộ định thời.
Thanh ghi OCR0 luôn đƣợc so sánh với giá trị của bộ định thời/bộ đếm. Kết
quả so sánh có thể đƣợc sử dụng để tạo ra PWM hoặc biến đổi tần số ngõ ra tại chân
OC0.
Phần chính của bộ định thời 8 bit là một đơn vị đếm song hƣớng có thể lập trình

đƣợc. Cấu trúc của nó nhƣ hình 1.14:

Hình 1.16: Sơ đồ đơn vị đếm

+ Count: tăng hay giảm TCNT0:1
+ Direction: lựa chọn giữa đếm lên và đếm xuống
+ Clear: xóa thanh ghi TCNT0
+ TOP: báo hiệu bộ định thời đẫ tăng đến giá trị lớn nhất
+ BOTTOM: báo hiệu bộ định thời đã giảm đến giá trị nhỏ nhất
Bộ so sánh 8 bit liên tục so sánh giá trị TCNT0 với giá trị thanh ghi so sánh ngõ
ra (OCR0). Khi giá trị TCNT0 bằng với OCR0, bộ so sánh sẽ tạo một báo hiệu. Báo
hiệu này sẽ đặt giá trị cờ so sánh ngõ ra (OCF0) lên 1 vào chu kỳ xung clock tiếp theo.
Nếu đƣợc kích hoạt (OCIE0=1), cờ OCF0 sẽ tạo ra một ngắt so sánh ngõ ra và sẽ tự
động đƣợc xóa khi ngắt đƣợc thực thi. Cờ OCF0 cũng có thể đƣợc xóa bằng phần
mềm.

18


Hình 1.17: Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra
Mơ tả các thanh ghi
 Thanh ghi điều khiển bộ định thời/bộ đếm TCCR0

+ Bit 7 (FOC0): so sánh ngõ ra bắt buộc: bit này chỉ tích cực khi bit
WGM00 chỉ định chế độ làm việc khơng có PWM. Khi đặt bit này lên 1, một báo hiệu
so sánh bắt buộc xuất hiện tại đơn vị tạo dạng sóng.
+ Bit 6 (WGM00) – bit 3 (WGM01): chế độ tạo dạng sóng: các bit này điều
khiển hoạt động của chân OC0. Nếu một hoặc cả hai bit COM01, COM00 đƣợc đặt
lên 1, ngõ ra OC0 sẽ hoạt động.
+ Bit 2 (CS02), bit 1 (CS01), bit 0 (CS00): chọn xung đồng hồ: ba bit này

dùng để lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời/bộ đếm

Hình 1.18: Lựa chọn nguồn xung cho bộ định thời

19


 Thanh ghi bộ định thời/bộ đếm

Thanh ghi bộ định thời/bộ đếm cho phép truy cập trực tiếp vào bộ đếm 8 bit
 Thanh ghi so sánh ngõ ra – OCR0

Thanh ghi này chứa một giá trị 8 bit và liên tục đƣợc so sánh với giá trị của bộ
đếm
 Thanh ghi mặt nạ ngắt

+ Bit 1 (OCIE0): cho phép ngắt báo hiệu so sánh
+ Bit 0 (TOIE0): cho phép ngắt tràn bộ đếm
 Thanh ghi cờ ngắt bộ định thời

+ Bit 1 (OCF0): Cờ so sánh ngõ ra 0
+ Bit 0 (TOV0): Cờ tràn bộ đếm
Bit TOV0 đƣợc đặt lên 1 khi bộ đếm bị tràn và đƣợc xóa bởi phần cứng khi
vector ngắt tƣơng ứng đƣợc thực hiện. Bit này cũng có thể đƣợc xóa bằng phần mềm.

20


CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÔNG CƠ DC SỬ DỤNG ATMEGA16

2.1 Cấu trúc của bộ điều khiển
Bộ điều khiển động cơ một chiều gồm các khối chính nhƣ sau:
-

Khối nút ấn: Button

-

Khối hiển thị: Màn hình LCD

-

Khối loa

-

Khối nguồn: nguồn 9V, Led

-

Khối điều khiển: VDK Atmega16, modoule LM298, Led

-

Khối moto: Động cơ Encoder 448 xung

Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ DC

21

2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển là: Khi điện áp đƣợc cấp đủ cho mạch nhiệt độ
tăng thì chip nhận đƣợc tín hiệu đồng thời chạy hàm cho con băng xung PWM thong
qua module điều khiển dộng cơ LM298 làm cho động cơ quay nhanh hơn, tƣơng tự khi
nhiệt độ giảm thì chip cũng nhận tín hiệu và chạy hàm băng xung PWM thông qua
module LM298 làm cho động cơ chạy chậm đi hoặc dừng hẳn.
2.3. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển động cơ DC
Altium Designer

Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer là một môi trường thiết kế
điện tử đồng nhất, tích hợp cả thiết kế nguyên lý, thiết ế mạch in PCB, lập trình hệ
thống nh ng
Các điểm đặc trƣng của Altium Designer :


Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản

lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.


Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật tốn tối

ƣu, phân tích lắp ráp linh kiện. Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa
mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trƣớc theo các tham số mới.


Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh

kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thƣớc, số lƣợng…

22