Bài giảng Đại cương về cấu trúc phần cứng và phần mềm cho điều khiển số động cơ điện một chiều

1 Ch−ơng 5 đạI CƯƠNG Về Cấu trúc phần cứng và phần mềm CHO ĐIềU KHIểN Số động cơ điện một chiều Ch−ơng này giới thiệu về phần cứng và phần mềm trong điều khiển số. Hệ thống phần cứng đ−ợc xây dựng từ vi điều khiển. Bên cạnh đó, một hệ thống vi điều khiển có thể đ−ợc ghép nối với máy tính, do đó các thông số của bộ điều khiển số có thể đặt trực tiếp trên máy tính. Máy tính cũng làm nhiệm vụ giám sát giá trị đặt cũng nh− giá trị phản hồi của hệ thống điều khiển. Cuối cùng ch−ơng này giới thiệu đặc điểm của ngôn ngữ C là ngôn ngữ tiện lợi để lập trình cho các vi điều khiển trong điều khiển số. 5.1 Vi điều khiển Phần cứng điều khiển động cơ một chiều bao gồm vi điều khiển. Một bộ vi điều khiển (viết tắt là MCU hay àC) là một máy tính trên một chip. Đây là một dạng của vi xử lý có độ tích hợp cao, tiêu thụ ít năng l−ợng và giá thành thấp. Điều này t−ơng phản với một bộ vi xử lý đa chức năng đ−ợc sử dụng cho máy tính cá nhân phải đ−ợc kết nối với các phần tử khác mới có thể làm việc đ−ợc. Ngoài việc kết hợp với các phần tử số học và logic nh− một bộ vi xử lý đa năng, một số vi điều khiển còn đ−ợc tích hợp với các phần tử khác nh− là bộ nhớ đọc-viết để l−u dữ liệu, bộ nhớ chỉ đọc đ−ợc (ROM) hay còn gọi là bộ nhớ chớp nhoáng đê l−u mã hay code ch−ơng trình. Một số họ vi điều khiển còn có bộ nhớ EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) đ−ợc sử dụng để l−u ch−ơng trình mãi mãi. Bộ nhớ EEPROM đ−ợc gọi là bộ nhớ chỉ đọc đ−ợc có khả năng lập trình xóa đ−ợc bằng điện. Ngoài ra bộ vi điều khiển còn có các giao diện vào/ra. Với tốc độ xung nhịp khoảng một vài MHz hoặc thấp hơn, một bộ vi điều khiển th−ờng làm việc với tốc độ thấp hơn so với bộ vi xử lý hiện đại nh−ng đủ cho một số ứng dụng cụ thể. Các vi điều khiển th−ờng tiêu thụ công suất nhỏ một vài milliwatts và có khả năng làm việc ở chế độ chờ hay còn gọi là chế độ “sleep” trong khi đợi các sự kiện ngoại nh− quá trình ấn một nút ấn để đ−a vi điều khiển về trạng thái làm việc. Công suất tiêu thụ ở chế độ chờ có thể chỉ một vài nanowatt làm cho các vi điều khiển lý t−ởng đối với các ứng dụng công suất thấp và thời gian làm việc lâu dài của nguồn cấp là pin. Các bộ vi điều khiển th−ờng đ−ợc sử dụng trong các thiết bị điều khiển tự động nh− là trong các hệ thống điều khiển động cơ ô tô, điều khiển xa, các máy văn phòng, các thiết bị điện, các máy công cụ và đồ chơi. Đ−ợc thiết kế với kích th−ớc nhỏ gọn, giá thành thấp và công suất tiêu thụ nhỏ so với quá trình thiết kế sử dụng một vi xử lý riêng biệt, bộ nhớ và các thiết bị vào và ra, các bộ vi điều khiển đ−ợc xem nh− là giải pháp kinh tế để điều khiển điện tử nhiều quá trình hơn. Bảng 5.1 là một số họ vi điều khiển thông dụng của hãng Atmel và Microchip Bảng 5.1: Một số vi điều khiển của hãng Atmel và Microchip Atmel Microchip • AT89 series (Intel 8051 architecture) • AT90, ATtiny, ATmega series (AVR architecture) (Atmel Norway design) • AT91SAM (ARM architecture) • AVR32 (32-bit AVR architecture) • MARC4 • 8 and 16-bit microcontrollers with 12 to 24-bit instructions • ability to include DSP function • 12-bit instruction PIC • 14-bit instruction PIC • PIC16F84 • 16-bit instruction PIC • 32-bit instruction PIC 5.1.1 Vi điều khiển AVR Atmega16 Vi điều khiển AVR Atmega16 là bộ vi điều khiển 8 bit mạnh có tốc độ xử lý cao, tiêu thụ công suất nhỏ. Sơ đồ chân ra của loại 40 chân có dạng nh− trên hình 5.1. 2 Hình 5.1: Sơ đồ chân ra của vi điều khiển Atmega16 loại 40 chân Đặc tr−ng của bộ vi điều khiển này nh− sau: -Hiệu năng cao, công suất nhỏ -Kiến trúc RISC tiên tiến -Thao tác hoàn toàn tĩnh -16K Bytes bộ nhớ ch−ơng trình chớp nhoáng tự khả trình trong hệ thống -512 Bytes EEPROM -1K Byte SRAM nội -Chu kỳ đọc/viết: 10,000 Flash/100,000 EEPROM -Thời gian l−u trữ ch−ơng trình: 20 năm ở 80oC/ 100 năm ở 25oC -Có khả năng khóa ch−ơng trình sau khi nạp -2 bộ định thời/đếm 8 bit (Timer/Counter) -1 bộ định thời/đếm 16 bit (Timer/Counter) -4 kênh PWM -8 kênh ADC 10 bit -Lập trình nối tiếp USART -32 đ−ờng lập trình vào/ra -Điện áp làm việc: 4,5-5,5 V -Mức tốc độ: 0 đến 16 MHz Chức năng các chân của Atmega16 -VCC: Điện áp cấp số -GND: Đất -Port A (PA7..PA0): Port A làm việc nh− là các đầu vào của các bộ chuyển đổi từ t−ơng tự sang số (ADC). Port A cũng có thể làm việc nh− là các port I/O hai chiều 8 bit. Các chân của cổng có thể có các điện trở kéo lên nội (đ−ợc chọn cho mỗi bit). Các bộ đệm đầu ra của Port A có đặc tính lái đối xứng với khả năng chìm và nguồn cao. Khi các chân PA0 tới PA7 đ−ợc s− dụng nh− các đầu vào và đ−ợc kéo xuống bên ngoài, chúng sẽ tạo nên một dòng điện nếu các điện trở kéo lên nội đ−ợc kích hoạt. Các chân cổng A là ba trạng thái khi một điều kiện reset đ−ợc kích hoạt thậm chí nếu xung nhịp không làm việc. -Port B (PB7..PB0): Port B là một port vào ra hai chiều 8 bit với các điện trở kéo lên nội (đ−ợc chọn cho mỗi bit). Các bộ đệm đầu ra của Port B có đặc tính lái đối xứng với khả năng chìm và nguồn cao. Khi là đầu vào, các chân của Port B đ−ợc kéo xuống từ bên ngoài sẽ phát ra dòng nếu các điện trở kéo lên đ−ợc kích hoạt. Các chân cổng B là ba trạng thái khi điều kiện reset đ−ợc kích hoạt thậm chí nếu xung nhịp không làm việc. 3 -Port C (PC7..PC0): Port C là một port vào ra hai chiều 8 bit với các điện trở kéo lên nội (đ−ợc chọn cho mỗi bit). Các bộ đệm đầu ra của Port C có đặc tính lái đối xứng với khả năng chìm và nguồn cao. Các bộ đệm đầu ra của Port B có đặc tính lái đối xứng với khả năng chìm và nguồn cao. Khi là đầu vào, các chân của Port C đ−ợc kéo xuống từ bên ngoài sẽ phát ra dòng nếu các điện trở kéo lên đ−ợc kích hoạt. Các chân cổng C là ba trạng thái khi điều kiện reset đ−ợc kích hoạt thậm chí nếu xung nhịp không làm việc. Nếu giao diện JTAG đ−ợc cho phép, các điện trở kéo lên trên các chân PC5(TDI), PC3(TMS) và PC2(TCK) sẽ đ−ợc kích hoạt thậm chí khi có reset. -Port D (PD7..PD0): Port D là một port vào ra hai chiều 8 bit với các điện trở kéo lên nội (đ−ợc chọn cho mỗi bit). Các bộ đệm đầu ra của Port D có đặc tính lái đối xứng với khả năng chìm và nguồn cao. Khi là đầu vào, các chân của Port D đ−ợc kéo xuống từ bên ngoài sẽ phát ra dòng nếu các điện trở kéo lên đ−ợc kích hoạt. Các chân cổng D là ba trạng thái khi điều kiện reset đ−ợc kích hoạt thậm chí nếu xung nhịp không làm việc. -RESET: Đầu vào reset. Một mức thấp ở chân này với thời gian dài hơn độ dài của xung tối thiểu sẽ tạo ra một quá trình reset, thậm chí nếu xung nhịp không chạy. -XTAL1: Đầu vào tới bộ khuyếch đại bộ dao động đảo và đầu vào tơi mạch làm việc xung nhịp nội. -XTAL2: Đầu ra từ bộ khuyếch đại bộ dao động đảo. -AVCC: là chân cấp điện áp cho cổng A của bộ chuyển đổi A/D. Chân này nên đ−ợc nối với bên ngoài tới Vcc thậm chí khi ADC không đ−ợc sử dụng. Nếu ADC đ−ợc sử dụng, chân này nên đ−ợc nối với Vcc qua một bộ lọc thông thấp. -AREF: là chân tham chiếu t−ơng tự cho bộ chuyển đổi A/D. 5.1.2 Ghép nối vi điều khiển AVR Atmega16 với máy tính Cổng nối tiếp RS232 là giao diện sử dụng rộng rãi nhất. Trong các máy PC cổng này còn gọi là cổng COM1. Cổng RS232 đ−ợc dùng cho các mục đích đo l−ờng và điều khiển. Việc truyền dữ liệu qua cổng đ−ợc tiến hành thao cách nối tiếp, nghĩa là các bit đ−ợc gửi nối tiếp nhau trên cùng một đ−ờng dẫn. Loại truyền thông này có khả năng dùng cho các khoảng cách lớn hơn, khả năng bị nhiễu ít hơn so với dùng cổng song song. Việc dùng cổng song song có nh−ợc điểm là việc sử dụng cap quá nhiều sợi, hơn nữa mức tín hiệu nằm trong khoảng 0-5V không thích hợp với khoảng cách lớn. Mức logic tín hiệu sử dụng khác nhau tùy theo mạch cụ thể. Tín hiệu định mức là +12V (logic 0) và -12V (logic 1). Mức tín hiệu này cho phép truyền dẫn tín hiệu khoảng cách xa. Hình 5.1 là sơ đồ chân của cáp nối tiếp RS232. Hình 5.1: Cáp nối tiếp RS232 4 Vi điều khiển AVR Atmega16 có thể ghép nối với máy tính qua bộ nhận và truyền nối tiếp đa năng đồng bộ và không đồng bộ (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter /USART). Hình 5.2 là một ví dụ của việc mắc một bộ chuyển đổi mức cổng nối tiếp MAX232 với vi điều khiển AVR Atmega16 cho truyền thông nối tiếp với một máy tính qua cổng nối tiếp RS232. Hình 5.2: Ghép nối vi điều khiển Atmega 16 với máy tính qua truyền thông nối tiếp RS232 5.2 Động cơ điện một chiều Động cơ 1 chiều Lab-Volt có các thông số định mức nh− sau: -Phần ứng: 220 V-1,5 A -Kích từ song song (shunt): 220 V-0,3 A -Kích từ nối tiếp (series): 1,5 A -Công suất động cơ: 175 W-1500 r/min 5.3 Phản hồi tốc độ Phản hồi tốc độ là một máy phát tốc với đầu ra 1 V ứng với 500 vòng/phút. 5.4 Tải cơ của động cơ Khối Dynamometer dùng làm tải cơ cho động cơ điện: -Công suất: 0-3 N.m – 0-2500 r/min, 175 W Khi phần ứng của động cơ là 200 VDC và rô to của động cơ đ−ợc nối với tải cơ (dynamometer) và mô men đ−ợc điều chỉnh bằng tay về 0 N.m thì tốc độ động cơ là 940 vòng/phút. 5.5 Van đóng cắt của mạch băm Van đóng cắt của mạch băm là MOSFET công suất: Điện áp vào định mức 700 VDC, dòng định mức 1,5A. Sơ đồ khối mạch mở MOSFET nh− trên hình 5.3. Theo thực nghiệm để MOSFET có thể mở đ−ợc thì đầu vào của khối điều khiển đóng cắt phải lớn hớn hoặc bằng 9VDC. 5 Hình 5.3: Sơ đồ khối mạch mở MOSFET của tủ thí nghiệm truyền động Lab-Volt 5.6 Diod mắc song song ng−ợc với tải -Điốt công suất mắc song song ng−ợc với tải: 1 A -Mục đích của diod này là bảo vệ MOSFET khỏi bị phá hủy khi tải cảm lớn 5.7 Cuộn kháng lọc -Tác dụng của cuộn kháng lọc là đảm bảo cho dòng điện phần ứng là liên tục -Mỗi cuộn kháng lọc nếu đ−ợc mắc nối tiếp: 3,2 H – 0,75 A -Nếu mỗi cuộn kháng lọc đ−ợc mắc song song: 0,8 H – 1,7 A Hình 5.4: Một cuộn kháng lọc 5.8 Điều khiển động cơ điện một chiều sử dụng phản hồi tốc độ Một trong những ph−ơng pháp điều khiển động cơ điện một chiều là điều khiển điện áp phần ứng. Trong ph−ơng pháp này, dòng điện kích từ đ−ợc giữ không đổi và điện áp phần ứng đ−ợc thay đổi. Tốc độ của động cơ tỷ lệ với điện áp phần ứng. Do đó, để có đ−ợc một tốc độ theo mong muốn, chúng ta chỉ cần đặt một điện áp một chiều t−ơng ứng vào phần ứng của động cơ. Tuy nhiên, khi tải của động cơ thay đổi, tốc độ của động cơ sẽ thay đổi. Để đạt đ−ợc một hệ thống cho phép duy trì tốc độ đặt là không thay đổi khi tải của động cơ thay đổi, chúng ta cần phải sử dụng phản hồi âm tốc độ. Đối với một hệ thống phản hồi âm tốc độ, một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tốc độ thật của động cơ (th−ờng thu đ−ợc qua một máy phát tốc gắn ở trên trục của động cơ) đ−ợc trừ từ tín hiệu tỷ lệ với tốc độ đặt th−ờng đ−ợc xem nh− là tín hiệu tham chiếu. Kết quả cho ra một tín hiệu đ−ợc gọi là tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch này sau đó sẽ xác định điện áp đặt vào phần ứng của động cơ. Nói chung, tín hiệu sai lệch sẽ đ−ợc xử lý bằng một bộ điều khiển tr−ớc khi cho ra điện áp t−ơng ứng đặt vào phần ứng của động cơ. Một bộ điều khiển đơn giản nhất có thể là một bộ điều khiển tỷ lệ. Trong thực tế, để có chất l−ợng điều khiển tốt hơn ng−ời ta phải sử dụng bộ điều khiển PID (bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân) theo sơ đồ khối nh− trên hình 5.5. Khối điều khiển đóng cắt Cách ly và khuyếch đại Đầu vào Đến cực G của MOSFET 6 Hình 5.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ 5.9 Một số đặc điểm ch−ơng trình phần mềm trong điều khiển số Ta đã biết điều khiển số động cơ điện là điều khiển có thời gian ngắn nhất. Hợp ngữ (Assembly) là ngôn ngữ sử dụng hiệu quả nhất dành cho mục đích này. Ch−ơng trình có hiệu quả nhất là ch−ơng trình sử dụng bộ nhớ (dùng cho mã dịch và dữ liệu) ít nhất với thời gian ngắn nhất. Ngôn ngữ C có những đặc tr−ng của ngôn ngữ cấp cao nh−ng cũng có những đặc điểm của ngôn ngữ bậc thấp là ngôn ngữ rất hiệu quả trong việc xây dựng các ch−ơng trình phần mềm điều khiển động cơ. C có tính cấu trúc rất cao, có các toán tử rất mạch vì thế ngày này các ch−ơng trình lớn đều đ−ợc viết bằng C. C cũng có thể đ−ợc ghép nối trực tiếp với hợp ngữ vì thế này nay C trở nên thông dụng hơn hợp ngữ nhiều. Khi lập trình bằng C ng−ời sử dụng phải nắm vững hệ lệnh của bộ vi điều khiển. Ngoài ra cũng cần biết các hàm đ−ợc xây dựng riêng cho điều khiển. Hàm C t−ơng đ−ơng với ch−ơng trình con viết bằng hợp ngữ. C đ−ợc gọi là ngôn ngữ thích hợp nhất cho điều khiển thời gian thực vì tính vạn năng, cô đọng và tốc độ thực hiện. Bộ điều khiển PID Mạch động lực Động cơ S Tải cơ Máy phát tốc Tín hiệu sai lệch Phản hồi (tỷ lệ với tốc độ động cơ) Tham chiếu