Điều khiển động cơ 1 chiều bằng vi điều khiển

Mặc dù động cơ điện xoay chiều đang phổ biến nhờ cấu tạo đơn giản và công suất lớn, động cơ điện một chiều vẫn giữ vị trí quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp cần điều khiển tốc độ quay liên tục và chính xác trong phạm vi rộng, ví dụ như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện… Ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là khả năng điều chỉnh tốc độ và khả năng chịu quá tải. Khả năng hoạt động như động cơ hoặc máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau cũng là một điểm mạnh. Tuy nhiên, giá thành chế tạo động cơ điện một chiều cao hơn so với động cơ không đồng bộ cùng công suất do sử dụng nhiều kim loại màu và cấu tạo cổ góp phức tạp hơn. Trong các trường hợp mà động cơ không đồng bộ không đáp ứng được yêu cầu về điều chỉnh tốc độ hoặc chi phí cho các thiết bị biến đổi kèm theo (như bộ biến tần) quá cao, động cơ điện một chiều là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ rộng, chính xác và cấu trúc mạch đơn giản hơn.

Cấu tạo của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận chính: Lõi sắt phần ứng, được làm từ các tấm thép kỹ thuật điện mỏng, cách điện và ép chặt nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. Trên lá thép có rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn phần ứng, thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện, là phần tạo ra suất điện động và cho dòng điện chạy qua. Tiết diện dây quấn thường tròn ở động cơ nhỏ (dưới vài kW) và chữ nhật ở động cơ lớn hơn. Cơ cấu chổi than giúp dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài, bao gồm chổi than, hộp chổi than, lò xo, giá đỡ, và ốc vít để điều chỉnh vị trí chổi than. Các bộ phận khác bao gồm nắp máy, có tác dụng bảo vệ máy khỏi vật thể lạ rơi vào và đảm bảo an toàn cho người vận hành, đồng thời ở động cơ nhỏ và vừa còn đóng vai trò giá đỡ ổ bi, thường được làm bằng gang.

Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào loại động cơ. Ví dụ, động cơ kích từ nối tiếp không có tốc độ không tải, và tốc độ tăng đột ngột khi tải giảm quá mức, nên không được để động cơ chạy không tải hoặc dùng dây curoa. Đặc tính cơ trong phạm vi dòng tải nhỏ hơn hoặc bằng dòng định mức có dạng hypebol. Khi dòng tải vượt quá dòng định mức, máy bão hòa và đặc tính cơ không còn tuân theo đường hypebol nữa. Động cơ kích từ hỗn hợp có cả cuộn nối tiếp và song song, đặc tính cơ phụ thuộc vào cuộn nào đóng vai trò chính. Động cơ kích từ song song có tốc độ không tải, và khi dòng tải tăng, từ thông cuộn nối tiếp tác động, làm đặc tính cơ có tính chất của động cơ nối tiếp. Điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi từ thông, nhưng phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải, đồng thời có tổn hao lớn (giảm 50% tốc độ định mức dẫn đến tổn hao 50% công suất). Không được giảm dòng kích từ xuống 0 để tránh nguy hiểm do tốc độ tăng quá lớn.

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp. Trong hệ thống máy phát – động cơ, có thể điều chỉnh điện áp nguồn nạp (thay đổi kích từ máy phát), thay đổi điện trở mạch rôto động cơ, và thay đổi từ thông kích từ động cơ. Hệ thống này cho phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, điều chỉnh được cả hai chiều tăng và giảm, và độ điều chỉnh rất mượt mà. Việc đưa điện trở lớn vào mạch rôto làm giảm dòng phần ứng, mômen cản không đổi, tốc độ giảm đến 0. Khi động cơ quay ngược do tải trọng (ví dụ hạ hàng), động cơ làm việc ở chế độ hãm.

Phần này giới thiệu về vi điều khiển 8051, cụ thể là họ vi điều khiển MCS-51 của Intel, với các IC tiêu biểu là 8031 và 8051. AT89C51, một vi điều khiển 8-bit công nghệ CMOS, công suất thấp, với 4KB PEROM (flash programmable and erasable read only memory) được đề cập chi tiết. AT89C51 tương thích với chuẩn công nghiệp MCS-51 về tập lệnh và chân ra. Việc xử lý byte và phép toán số học nhanh trên RAM nội, cùng với tập lệnh bao gồm cả phép nhân và chia, làm cho 8051 thích hợp cho các ứng dụng điều khiển. Khả năng hỗ trợ on-chip cho biến 1-bit cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong điều khiển và hệ thống logic, là một ưu điểm đáng kể. Mô tả chi tiết về các Port I/O (Port 0, 1, 2) và chức năng của chúng trong việc xử lý địa chỉ và dữ liệu, cùng với tín hiệu ALE/PROG (address latch enable) cho việc giải kênh bus địa chỉ và dữ liệu, và EA/Vpp (External Access) cho việc lựa chọn giữa ROM nội và bộ nhớ mở rộng. Cấu trúc I/O Port với chốt port và chân port, và ngõ reset RST cũng được giải thích.

Vi điều khiển 8051 có hai bộ Timer 16-bit, mỗi bộ có 4 chế độ hoạt động, được dùng để tạo khoảng dừng, đếm sự kiện hoặc định tốc độ baud cho port nối tiếp. Cấu trúc và chức năng của thanh ghi TCON điều khiển Timer 0 và Timer 1 được mô tả. Các chế độ hoạt động của Timer, bao gồm chế độ tự động nạp lại 8-bit (TLx hoạt động như timer 8-bit, THx nạp lại giá trị) và chế độ tách timer (Timer 0 tách thành hai timer 8-bit), được giải thích chi tiết. Việc sử dụng bit GATE trong TMOD và ngõ vào bên ngoài INTx để điều khiển Timer, hữu ích trong việc đo độ rộng xung, được minh họa bằng ví dụ. Khả năng sử dụng nguồn xung nhịp ngoài (P3.4/T0 và P3.5/T1) cho phép Timer hoạt động như bộ đếm sự kiện. Ngắt được định nghĩa là sự kiện tạm dừng chương trình để phục vụ bởi chương trình khác (ISR). Các thông tin về ngắt, bao gồm timer 2 (TF2 hoặc EXF2), chiều dài chương trình ISR, địa chỉ vector ngắt, và việc xóa cờ ngắt được trình bày.

Vi điều khiển 8051 có một port nối tiếp với nhiều chế độ hoạt động và dải tần số rộng, thực hiện chuyển đổi dữ liệu song song sang nối tiếp và ngược lại. Truy xuất phần cứng đến port nối tiếp qua chân TXD (P3.0) và RXD (P3.1). Thanh ghi SBUF (địa chỉ 99H) làm bộ đệm, và thanh ghi SCON (địa chỉ 98H) điều khiển chế độ hoạt động. Trong ứng dụng điều khiển động cơ, vi điều khiển nhận tốc độ đặt từ bàn phím, hiển thị lên 4 LED 7 đoạn, và phát xung điều khiển thời gian mở của IGBT để điều chỉnh điện áp trung bình cấp cho động cơ. Tín hiệu phản hồi tốc độ từ encoder cho phép vi điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ động cơ khi tải thay đổi. Hệ thống được mô phỏng, nên không tránh khỏi sai sót. Các ngắt đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ một cách chính xác và hiệu quả.

Toàn bộ hệ thống điều khiển động cơ được trình bày dưới dạng mô hình mô phỏng. Mô hình này bao gồm một động cơ điện một chiều, được điều khiển bởi một vi điều khiển 8051. Vi điều khiển xử lý tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi từ cảm biến. Vi điều khiển 8051 sử dụng các timer để tạo ra các xung điều khiển thời gian mở của IGBT, từ đó điều chỉnh điện áp trung bình cung cấp cho động cơ. Tốc độ động cơ được thiết lập thông qua giao diện người dùng, bao gồm bàn phím để nhập tốc độ mong muốn và 4 LED 7 đoạn để hiển thị tốc độ đặt. Hệ thống sử dụng tín hiệu phản hồi từ encoder (hoặc cảm biến quang) để tự động điều chỉnh tốc độ động cơ và duy trì tốc độ ổn định khi tải thay đổi. Do đây là mô hình mô phỏng nên trong quá trình thực hiện có thể có những sai sót. Các kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của thuật toán điều khiển và hệ thống.