Luận văn Đề Tài:Điều khiển động cơ 1 chiều
dùng 8051
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
LỜI NÓI ĐẦU
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - i -
LỜI NÓI ĐẦU
- ii -
Trong phạm vi luận án này, em xin trình bày vấn đề về điều khiển tốc độ động cơ
một chiều dùng họ vi điều khiển 8051 bằng phương pháp độ rộng xung.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và góp ý của các Thầy, các Cô khoa Điện—
Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản luận án này. Một lần nữa,
em xin cảm ơn Thầy Dương Hoài Nghóa đã hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình em
làm luận án.

Do kinh nghiệm và trình độ còn hạn chế, phần thể hiện và trình bày còn nhiều
khiếm khuyết. Kính mong q Thầy cô bỏ qua cho em.

Trân trọng kính chào,
TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2002
Sinh viên: Trần Xuân Khánh.
E. CHỨC NĂNG CỦA TỪNG CHƯƠNG TRÌNH CON 88
F. CHƯƠNG TRÌNH 92
Chương 5 PHẦN MỀM VISUAL BASIC 99
G. NHIỆM VỤ CỦA PHẦN MỀM 102
H. GIẢI THÍCH HOẠT ĐỘNG 103
I. CHƯƠNG TRÌNH 104
Chương 6 KẾT QUẢ 119
J. MẠCH THI CÔNG 120
K. GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH 121
PHẦN III KẾT LUẬN 122
PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
PHẦN V PHỤ LỤC 126
1. GIỚI THIỆU MCS-8051 127
2. CỔNG NỐI TIẾP 140
3. GIỚI THIỆU CÁC VI MẠCH SỬ DỤNG VÀ LINH KIỆN KHÁC 152
4. GIỚI THIỆU VỀ CHOPPER HAI-PHẦN TƯ , CÁC CHOPPER NHIỀU PHA
VÀ CHOPPER THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHOPPER 172

PHẦN I
-iv-

PHẦN I

GIỚI
THIỆU PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 2 -

Động cơ xoay
chiều
Ghép nối đàn
hồi
Máy sản xuất

(Phụ tải)
Hệ thống
bảo vệ và khởi
động/dừng bằng cơ-điện
hoặc điện tử.
3 pha

Hình 1.1 Truyền động tốc độ hằng.

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 3 -


đến điều khiển tốc độ hay mômen như : máy công cụ, rôbốt, truyền động cho đóa máy
tính, các phương tiện chuyên chở, v.v…
Về cấu trúc, một hệ thống truyền động điện nói chung, bao gồm các khâu:

Động cơ xoay
chiều
Ghép nối đàn
hồi
Máy sản xuất

(Phụ tải)
Hệ thống bảo vệ và đóng
/ mở bằng cơ-
điện hoặc
điện tử.
3 pha
Hệ thống bộ
biến đổi nguồn
điện tử
Hình 1.2 Truyền động tốc độ thay đổi

Ghép nối đàn
hồi
Máy sản xuất

(Phụ tải)
1 pha

chỉnh (regulator), các máy tính, các bộ vi xử lí (microprocessor), các bộ điều chỉnh
theo chương trình, CPU, PLC, CNC….
Các thiết bò đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là
các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang….
Một hệ thống truyền động điện không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu như đã
nêu. Tuy nhiên, một hệ truyền động điện bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:
− Phần lực: bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện.
− Phần điều khiển.
Một hệ truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, được gọi là hệ
kín khi có phản hồi nghóa là đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một
tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt một giá
trò mong muốn nào đó.

B—PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Một sơ đồ tóm tắt chỉ ra các ứng dụng chủ yếu và giới hạn công suất các dạng
truyền động điện chính như sau:
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 5 -



(kW)
100000

10
000

1000

100

10

1

0.1

Trung bình

Cao

Mức độ yêu cầu của vận hành

Máy bơm nhà
máy thuỷ điện
Nhà máy xay
xát, xi măng.
Máy li tâm

Các máy bơm


PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 6 -

Các bộ biến đổi điện tử công suất dành cho các loại động cơ một chiều có chổi than
hoặc không chổi than cũng được nghiên cứu và đưa ra cho các ứng dụng với giá cả hợp
lý.
Mức chi phí cho bộ biến đổi điện tử công suất thường luôn cao hơn chi phí của động
cơ khoảng từ hai đến năm lần, nói chung thì giới hạn công suất của hệ truyền động
càng lớn thì sự chênh lệch giá giữa hai thành phần này giảm hơn.
Lý do của việc dùng bộ biến đổi điện tử công suất cho dù giá của nó lớn hơn của


a.c.

30%

70%

d.c.

a.c.

25%

75%

Hình 1.4 Sự thay đổi của thò trường truyền động.

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 7 -
 Hay mô men / thời gian và Tốc độ / thời gian;
 Hay quan hệ vò trí / thời gian.
Còn quá trình quá độ, bộ truyền động thể hiện vai trò nó bằng cách điều khiển
vòng kín, trong đó tín hiệu đầu ra được đưa trở lại tín hiệu đầu vào so sánh với tín hiệu
đặt và lấy sai lệch làm tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi…nhằm duy trì đầu ra theo
yêu cầu.

C—PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Có nhiều phân loại hệ truyền động điện:

- 8 -
− Thuộc hệ truyền động này có hệ máy điện khuyếch đại—động cơ (ký hiệu:
MĐKĐ-Đ). Trong đó, bộ biến đổi ở đây là MĐKĐ;
− Hệ chỉnh lưu—động cơ: (ký hiệu: BCL-Đ), động cơ một chiều được cấp điện
từ một bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (chỉnh lưu diode)
hay có điều khiển (chỉnh lưu Thyristor: hệ T-Đ).v.v….

D—PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1. Hệ thống chuyển động tònh tiến:
Theo đònh luật II Newton, nếu xem khối lượng vật chuyển động là không đổi, ta có
phương trình:
F
Đ
+ F
C
= F
a
= ma = m
dt
dv
(I.1.1)
Trong đó:
F
Đ
- lực phát động do động cơ điện tạo ra (N);
F
C
- lực cản chuyển động của cơ cấu (N);
F

ω
(I.1.2)
Trong đó:
M
Đ
- mô men do động cơ điện tạo ra (Nm);
M
C
- mô men cản của cơ cấu (Nm)
(M
C
còn gọi là mô men tónh);
M
θ
- mô men động tạo ra gia tốc góc (Nm);
J - mô men quán tính của vật quay (Nm);
θ - gia tốc góc (rad/s
2
);
ω - tốc độ góc (rad/s);
t - thời gian trong đó tốc độ góc biến đổi (s).
PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 9 -

* Lưu ý về đại lượng M
θ
θθ
θ
:

C
), mà là dùng để chỉ một đại lượng mô men bằng về trò số
và ngược chiều với nó, đó là mô men của khối lượng quán tính Jdω/dt. Mô men này
phát sinh khi truyền động thay đổi tốc độ và nó có tác dụng chống lại sự thay đổi nó.
Nói cách khác, danh từ trên không phải chỉ nguyên nhân mà chỉ hậu quả. Đó là một
khái niệm vật lý.

Nếu tốc độ động cơ tính theo vòng/phút thì tốc độ góc:
ω = 2π
60
n
≈
55,9
n
(rad/s)
Nên (M.4.2) trở thành:
M
θ
= Jθ =
55,9
1
×
dt
dn

Đối với tốc độ, ta lấy chiều quay của động cơ làm chiều dương không kể động cơ
quay theo chiều nào. Dấu của mô men hướng theo chiều quay của truyền động là
dương, còn những mô men ngược chiều quay là âm.

E—MÔ MEN CẢN

(I.1.3)
Thành phần nào trong vế phải của (M.5.1) trội hơn thì mô men cản sẽ mang tính
đó. Phổ biến nhất trong thực tế là các truyền động có mô men cản thuần phản kháng,
hoặc mô men cản mang thành phần phản kháng trội. Đó là các truyền động chính của
máy cán, băng lăn, máy tiện, máy phay, quạt gió, bơm nước, v.v…. Các truyền động có
mô men cản mang thành phần thế năng trội là truyền động của cần trục, bàn nâng (với
đối trọng không cân bằng), máy nâng hầm mỏ, thang máy, truyền động nâng của máy
xúc, v.v….
Qua việc phân tích tính chất của mô men nói trên ta thấy:
Mô men của động cơ ở trạng thái động cơ sẽ mang dấu dương vì nó hướng theo
chiều quay, còn ở trạng thái máy phát sẽ là âm vì hướng ngược chiều quay.
Mô men cản phản kháng thì luôn luôn âm vì nó luôn luôn hướng ngược chiều quay.
Mô men cản thế năng có dấu âm khi tăng dự trữ thế năng (khi nâng tải, nén lò xo),
và mang dấu dương khi giảm dự trữ thế năng (khi hạ tải, giãn lò xo).

F—QUY ĐỔI CÁC ĐẠI LƯNG MÔ MEN CẢN, LỰC CẢN, QUÁN TÍNH CỦA
MÁY SẢN XUẤT VỀ TRỤC ĐỘNG CƠ

Một hệ truyền động điện thường có nhiều bộ phận khác nhau với các trục quay
khác nhau: quay trái, quay phải, tònh tiến lên, xuống…. Các bộ phận này tạo thành phần
cơ học của hệ truyền động điện. Chúng có các tốc độ, lực hoặc mô men tác dụng khác
nhau.
Khi tính toán thiết kế, chọn công suất động cơ hoặc nghiên cứu sự làm việc của
một hệ truyền động điện, có thể cần phải thiết lập phương trình chuyển động (I.1.1)
hoặc (I.1.2) tại một điểm nào đó trên sơ đồ động. Các đại lượng để thiết lập phương
trình phải lấy ở ngay tại điểm đó. Do vậy, cần phải tiến hành tính quy đổi các đại lượng
như lực cản, mô men cản, khối quán tính và mô men quán tính về điểm đònh tính toán.
Thông thường, để thuận tiện khi khảo sát các trạng thái làm việc của truyền động,
người ta hay tính quy đổi các đại lượng về trục động cơ (nguồn phát động lực).
Nguyên tắc tính quy đổi là dựa vào đònh luật bảo toàn năng lượng.

i - tỷ số truyền từ trục động cơ tới trục máy sản xuất, i = ω
Đ
/ω
MSX
;
ω
Đ
- tốc độ góc của động cơ, (rad/s)
ω
MSX
- tốc độ góc của máy sản xuất, (rad/s)
t - thời gian sản xuất;
2. Quy đổi lực cản F
C
của chuyển động tònh tiến thành mô men trên trục động cơ:
Công truyền từ động cơ = Công nhận đến máy sản xuất
⇔ M
qđ
× ω
Đ
× η × t = F
C
× v × t
⇒ M
qđ
=
η
ρ
×
C

MSX
2

⇒ J
qđ
=
2
i
J
MSX
, (kgm
2
) (I.1.6)
4. Quy đổi khối quán tính của chuyển động tònh tiến thành mô men quán tính
trên trục động cơ:
Khối quán tính ở đây có thể đưa ra một thí dụ như phần carbin chứa người và đối
trọng của nó trong hệ truyền động thang máy.
Theo đònh luật bảo toàn năng lượng, động năng tích luỹ trên trục động cơ bằng với
động năng tích luỹ của khối quán tính có khối lượng m (kg):
2
1
× J
qđ
× ω
Đ
2
=
2
1
× m × v

có), (kgm
2
)
θ - gia tốc góc, θ = dω
Đ
/dt , (rad/s
2
).

* Lưu ý về quy ước dấu:
 Đối với tốc độ, ta lấy chiều quay của động cơ làm chiều dương không kể động cơ
quay theo chiều nào.
 Những mô men hướng theo chiều quay của truyền động là dương, còn những mô
men ngược chiều quay là âm.

G—ĐẶC TÍNH CƠ CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Trong hệ truyền động điện, động cơ điện có nhiệm vụ cung cấp động lực cho cơ
cấu sản xuất. Các cơ cấu sản xuất của mỗi loại máy có các yêu cầu công nghệ và đặc
điểm riêng. Máy sản xuất lại có rất nhiều loại, nhiều kiểu với kết cấu rất khác biệt.
Động cơ điện cũng như vậy, có nhiều loại, nhiều kiểu với các tính năng, đặc điểm
riêng.
Để hệ truyền động điện làm việc tốt, có hiệu quả thì giữa động cơ điện và cơ cấu
sản xuất phải đảm bảo có một sự phù hợp tương ứng nào đó. Việc chọn lựa hệ truyền
động điện và chọn động cơ điện đáp ứng đúng các yêu cầu của các cơ cấu sản xuất có
một ý nghóa lớn không chỉ về mặt kỹ thuật mà cả về mặt kinh tế.
Do vậy, ta phải xem xét kỹ đặc tính cơ của truyền động điện—tức đặc tính cơ của
cơ cấu sản xuất và đặc tính cơ của động cơ điện.
Đặc tính cơ biểu thò mối quan hệ giữa tốc độ quay và mô men quay:
ω = f(M) hoặc n = F(M)

C
- mô men cản của cơ cấu sản xuất ở tốc độ ω nào đó;
M
C(o)
- mô men cản của cơ cấu sản xuất ở tốc độ ω = 0;
M
Cđm
- mô men cản của cơ cấu sản xuất ở ω = ω
đm
;
k - số mũ đặc trưng cho phụ tải, (k = 0, ±1, 2).
 Trường hợp k = 0: đây là đặc tính cơ của các cơ cấu nâng—hạ (máy trục, thang
máy), cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại v.v….
 Trường hợp k = -1: máy quấn dây, cơ cấu truyền động chính các máy cắt gọt kim
loại v.v….
 Trường hợp k = 1: máy phát điện một chiều với tải thuần trở….
 Trường hợp k = 2: các máy thuỷ khí: bơm, quạt, chân vòt tàu thủy v.v….


ωω
ω

M

k = 0

k =
1

k = 2

k =
-
1

PHẦN I - CHƯƠNG 1
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 14 -
β =
ω
∆
∆
M
= cotg(α) (I.1.9)
Độ cứng β của một đặc tính cơ được dùng để đánh giá đặc tính cơ đó.

Đặc tính cơ cứng tuyệt đối

Đặc tính cơ cứng

Đặc tính cơ mềm

α

ω

M

0

∆
Μ

∆
ω

Hình 1.6 Độ cứng đặc tính cơ

PHAN I - CHệễNG 1
TAỉI LIEU ẹệễẽC SHARE TREN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 15 -


PHẦN I - CHƯƠNG 2
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 17 -
Điều chỉnh tốc độ động cơ là chủ động thay đổi tốc độ động cơ theo ý muốn của
người hay thiết bò điều khiển sao cho phù hợp với quy trình công nghệ của bộ phận làm
việc của máy sản xuất.

Để thay đổi tốc độ bộ phận làm việc của máy sản xuất có thể thực hiện bằng hai
phương pháp:
− Thay đổi tỉ số truyền của bộ phận truyền lực hoặc biến tốc đặt giữa động cơ và
bộ phận làm việc của máy sản xuất (i = ω
Đ
/ω
MSX
).
− Thay đổi tốc độ động cơ.
Ở đây ta chỉ xét đến phương pháp thay đổi tốc độ động cơ.

A—CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Sơ đồ nối dây của một máy phát kích từ song song:


Cuộn kích từ

Lõi từ

Đế của cực từ

Tư
ø thông tản

Phần ứng

Răng

Gông (ách)

Hình 2.2

PHẦN I - CHƯƠNG 2
TÀI LIỆU ĐƯC SHARE TRÊN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM
- 18 -

3. Cuộn dây kích từ trên một cực từ:



Cuộn kích từ

Đầu ra

Đầu ra

Hình 2.3

Cổ góp

Trục

Hình 2.4

Ống lót của cổ góp

Rãnh gắn ca
ùc đầu ra
của các cuộn dây
phần ứng
Các phiến góp
bằng đồng
Vành chữ “V”

Nêm

Cách điện mica

Các phiến góp hướng ra ngoài
Máy điện một chiều về cơ bản có hai phần mạch điện: mạch kích từ và mạch phần
ứng. Phần kích từ nằm ở phần tónh hay stator của máy điện bao gồm các cuộn dây quấn
quanh các cực từ của stator. Các cực từ này hướng vào trong stator như trên hình 2.1.
Bộ gá

Chổi than

Đuôi sam

Lò xo cố đònh chổi than

Chổi than

Đầu chỉnh độ căng lò xo

Hình 2.7

Phiến góp


trên phiến góp (hình 2.5).
Kết nối mạch phần ứng như trên hình 2.6. Dòng điện đưa vào phần ứng qua chổi
than và cổ góp. Chổi than B
1
được nối đến phiến góp số 1, và chổi kia nối đến phiến
góp số 13. Dòng điện đến phần ứng từ chổi than B
1
phiến góp số 1 và vòng về ở phiến
góp 13 tại chổi than B
2
theo hai đường dẫn song song, mỗi đường dẫn tải một nửa dòng
phần ứng. Mỗi đường gồm mười hai cuộn dây, trên hình 2.6 là hai mạch nhánh có các
cuộn : nhánh phải gồm từ cuộn AA’ đến cuộn WW’ và nhánh kia phần còn lại. Mỗi
cuộn dây trong nhóm mười hai cuộn dây này, giả sử cuộn đầu tiên nằm dưới một cực
bắc thì cuộn cuối trong nhóm sẽ kết thúc nằm dưới cực nam. Mạch nhánh gồm mười
hai cuộn còn lại sẽ ngược lại, bắt đầu nằm dưới một cực nam và kết thúc cực bắc. Khi
rotor quay, dòng điện chảy trong cuộn dây nằm dưới một cực từ không đổi, tiếp xúc
chổi than-cổ góp thay đổi. Vì chiều dòng điện trong các cuộn dây ngược nhau và do
cách bố trí xen kẻ của cực từ, mô men tạo ra do các cuộn dây có cùng chiều. Nhờ hệ
chổi than-cổ góp mà máy điện mới có thể làm việc với nguồn một chiều.
Dòng điện trong các cuộn dây phần ứng thực ra là xoay chiều vì mỗi lần một cuộn
dây dòch chuyển từ vùng tác động của một cực từ sang vùng tác động của một cực từ
khác, dòng điện trong nó bò đảo chiều. Ta có thể nói hệ cổ góp và chổi than hoạt động
như một bộ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều trong các cuộn
dây phần ứng.

B—ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song: