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.

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

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

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



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


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

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:


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


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

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, …

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

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)


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


• 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

thanh ghi lệnh tại S1P1.