Điều khiển động cơ sử dụng IC MCP4921

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÀI TẬP LỚN
Môn: Vi xử lý, vi điều khiển
Đề bài: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều
GVHD: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng
ThS. Hoàng Văn Mạnh
Nhóm sinh viên: Nhóm 18
Lớp: K57M
Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa
Hà Nội, ngày 21/11/2015

Bài tập lớn
Vi xử lý, vi điều khiển Trang 1
Lời mở đầu
Nước ta đang đang trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa, đổi mới phát
triền toàn diện. Phục vụ cho công cuộc đổi mới này đó là các máy móc hiện đại được điều
khiển vô cùng phức tạp; nhưng cũng vì thế mà làm giảm được tối đa sự góp mặt của con
người vào các quá trình sản xuất đó. Tự động hóa phát triển kéo theo những công nghệ
điều khiển tiên tiến cũng phát triển và đóng góp vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất.
Có thể kể đến đó là những rô bốt công nghiệp, tay máy hay các dây chuyền tự động được
lập trình sẵn đó là những quá trình lớn. Ở trong một phạm vi nhỏ hơn, việc điều khiển được
thực hiện một cách dễ dàng với những vi xử lý hoặc những vi điều khiển được lập trình sẵn
cũng góp mặt vô cùng nhiều trong các ứng dụng thực tế trong cuộc sống.
Trong các ứng dụng liên quan đến truyền động, một thành phần gần như 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 được tốc độ cũng như 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.
Xuất phát từ yêu cầu đó, nhóm chúng em đã nghiên cứu và làm một bài tập về điều
khiển động cơ điện một chiều đó là “thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều”
với yêu cầu là điều khiển quay nhanh, quay chậm, quay thuận, quay ngược và dừng sử
dụng vi điều khiển PIC16F877A.
Các thành viên nhóm:
- Phạm Trần Hoàng
- Vũ Đình Ngọc
- Nguyễn Viết Bình

Bài tập lớn
Mục lục
Phần I. Cơ sở lý thuyết........................................ 3
I. Vi điều khiển PIC16F877A .............................. 3
1. Tổng quan về dòng vi điều khiển PIC....................... 3
2. Vi điều khiển PIC16F877A.............................. 4
II. IC MCP4921 ........................................ 8
1. Sơ đồ chân......................................... 8
2. Giao tiếp vi điều khiển với MCP4921........................ 9
3. Giao tiếp SPI giữa PIC và MCP4921 ....................... 9
4. Thanh ghi lệnh của MCP4921 .......................... 10
III. Động cơ điện một chiều............................... 10
1. Cấu tạo .......................................... 10
2. Nguyên lý làm việc .................................. 11
3. Phân loại......................................... 11
IV. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều .......... 12
1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều ............ 12
2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều................... 13
Phần II. Nội dung .......................................... 19
I. Thiết kế và thi công phần cứng........................... 19
1. Sơ đồ nguyên lý và mạch in ............................ 19
2. Mô phỏng trên Proteus ............................... 21
3. Hình ảnh mạch thực tế. ............................... 21
II. Viết code cho vi điều khiển. ............................. 22
1. Trình biên dịch..................................... 23
2. Chương trình điều khiển .............................. 23
Phần III. Kết luận .......................................... 26

Bài tập lớn
Phần I. Cơ sở lý thuyết
I. Vi điều khiển PIC16F877A
1. Tổng quan về dòng vi điều khiển PIC
PIC là viết tắt của từ “Programmable Intelligent Computer” là một họ vi điều khiển RISC
được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. Thế hệ đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi
Microelectronics Division thuộc General – Intrument.
Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng cơ bản
chúng có những đặc điểm như:
- Là CPU 8 bit hoặc 16 bit được xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi
- Có bộ nhớ Flash và ROM có thể tùy chọn từ 256 byte đến 256Kbyte.
- Có các cổng xuất – nhập (I/O port).
- Có timer 8 bit hoặc 16 bit
- Có các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ, không đồng bộ USART
- Có các bộ chuyển đổi ADC 10 bit hoặt 12 bit.
- Có các bộ so sánh điện áp.
- Có các khối capture/compare/PWM
- Có hỗ trợ giao tiếp LCD
- Có MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I2C, SPI, I2S.
- Có bộ nhớ nội EEPROM có thể ghi/xóa lên tới 1 triệu lần.
- Có khối điều khiển động cơ, đọc encoder.
- Có hỗ trợ giao tiếp USB.
- Có hỗ trợ điều khiển Ethernet và giao tiếp CAN.
Các đặc tính ngoại vi
- Timer0: là bộ định thời timer/counter 8 bit có bộ chia trước.
- Timer1: là bộ định thời timer/counter 16 bit có bộ chia trước, có thể đếm khi CPU đang
ở chế độ ngủ với nguồn xung từ tụ thạch anh hoặc nguồn xung bên ngoài
- Timer2: bộ định thời timer/counter 8 bit với thanh ghi 8 bit, chia trước và postscaler.
- Hai khối Capture, Compare, PWM
 Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12,5ns.
 Compare có độ rộng 16 bit có độ phân giải 200ns.
 Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10 bit
Các đặc tính về tương tự
- Có 8 kênh chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ADC 10 bit.
- Có reset BOR (Brown – Out Reset)
- Khối so sánh điện áp tương tự.
- Hai bộ so sánh tương tự
 Khối tạo điện áp chuẩn VREF tích hợp bên trong có thể lập trình
 Đa hợp ngõ vào lập trình từ ngõ vào của CPU với điện áp chuẩn bên trong.
 Các ngõ ra của bộ so sánh có thể truy xuất từ bên ngoài.
Các đặc tính đặc biệt
- Bộ nhớ chương trình Enhanced Flash cho phép xóa và ghi 100000 lần
- Bộ nhớ dữ liệu EEPROM cho phép xóa và ghi 1000000 lần.
- Bộ nhớ EEPROM có thể lưu giữ dữ liệu hơn 40 năm và có thể tự lập trình lại dưới sự
điều khiển của phần mềm.
- Mạch lập trình nối tiếp ICSP thông qua 2 chân.

Bài tập lớn
- Nguồn sử dụng là nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp
- Có bộ Watchdog Timer (WDT) với bộ dao động RC tích hợp sẵn trên chip.
- Có thể lập trình mã bảo mật
- Có thể hoạt động ở chế độ Sleep để tiết kiệm năng lượng.
- Có thể lựa chọn bộ dao động.
- Có mạch điện gỡ rối ICD thông qua 2 chân.
2. Vi điều khiển PIC16F877A
Hình 1. Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của PIC16F877A.
Vi điều khiển PIC16F877A có 40 chân với các đặc điểm là có 5 cổng xuất nhập là A, B, C,
D, E. Tần số hoạt động không quá 20MHz, bô nhớ chương trình Flash là 8Kbyte, bộ nhớ dữ liệu la
368 byte, bộ nhớ dữ liệu EEPROM la 256 byte, có 15 nguồn ngắt, 3 bộ Timer, 8 kênh chuyển đổi
A/D 10 bit, 2 module capture/compare/PWM. Giao tiếp nối tiếp USART, MSSP, giao tiếp song
song PSP, …
Sơ đồ khối
Hình 2 trình bày sơ đồ khối của PIC16F877A, gồm các khối:
- Khối ALU – Arithmetic Logic Unit
- Khối bộ nhớ chứa chương trình chính – Flash Program Memory
- Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EEPROM – Data EPROM
- Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register.
- Khối giải mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode & Control
- Khối thanh ghi đặc biệt
- Khối giao tiếp nối tiếp
- Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC
- Khối các cổng xuất nhập.

Bài tập lớn
Hình 2. Sơ đồ khối PIC16F877A
Chức năng các chân
- Chân 1: nối với mạch RESET.
- Chân 2 – 7: PORTA
- Chân 8 – 10: PORTE
- Chân 11, 32: nối nguồn 5V
- Chân 12, 31: nối đất
- Chân 13, 14 nối bộ tạo xung dao động cho vi điều khiển
- Chân 15 – 18: PORTC (PORTC0 – PORTC3)
- Chân 23 – 25: PORTC (PORTC4 – PORTC7)

Bài tập lớn
- Chân 19 – 22: PORTD (PORTD0 – PORTD3)
- Chân 27 – 30: PORTD (PORTD4 – PORTD7)
- Chân 33 – 40: PORTB
Các port xuất nhập
 PORTA và thanh ghi TRISA
PORTA là port hai chiều chỉ có 6 bit, thanh ghi định hướng tương ứng là TRISA. Khi bit
TRISA bằng 1 thì PORTA là port nhập, khi bit TRISA bằng 0 thì PORTA là port xuất dữ liệu.
Đọc thanh ghi PORTA là đọc trạng thái ở các chân, nhưng ngược lại khi ghi thì dữ liệu sẽ
vào mạch chốt port. Tất cả hoạt động gồm 3 giai đoạn: đọc – hiệu chỉnh – ghi. Do đó ghi dữ liệu
vào 1 port được hiểu ngầm là đọc dữ liệu từ port rồi hiệu chỉnh và sau cùng là ghi dữ liệu vào
mạch chốt dữ liệu.
Chân RA4 được đa hợp với ngõ vào xung clock của module timer0 có cấu hình Schmitt
trigger và cực máng để hở. Tất cả các chân còn lại của PORTA ở chuẩn TTL khi nó là ngõ vào và
khi xuất dữ liệu thì theo chuẩn CMOS.
Những chân khác của PORTA được đa hợp với các ngõ vào tương tự và ngõ vào tương tự
VREF cho các bộ chuyển đổi A/D và các bộ so sánh. Hoạt động của mỗi chân được lựa chọn bằng
cách xóa/lập các bit điều khiển cho phù hợp trong thanh ghi ADCON1 hoặc thanh ghi CMCON.
Thanh ghi TRISA điều khiển hướng các chân của port ngay cả khi chúng được sử dụng như
là ngõ vào tương tự.
 PORTB và thanh ghi TRISB
PORTB là port hai chiều 8 bit với thanh ghi định hướng tương ứng là TRISB. Khi bit
TRISB bằng 1 thì PORTB là port nhập, khi bit TRISB bằng 0 thì PORTB là port xuất dữ liệu.
Ba chân của PORTB được đa hợp với mạch điện gỡ rối bên trong và chức năng lập trình
điện áp thấp: RB3/PGM, RB6/PGC, RB7/PGD.
Mỗi chân của PORTB có điện trở kéo lên. Bit điều khiển RBPU = 1 thì có thể mở tất cả
các điện trở kéo lên. Khi PORTB được thiết lập là các ngõ ra thì sẽ tự động tắt chức năng điện trở
kéo lên cũng tương tự khi CPU bị reset lúc mới cấp điện.
Bốn chân của PORTB RB4 – RB7 có cấu trúc ngắt thay đổi. Chỉ những chân được thiết lập
ở cấu hình là ngõ vào thì mới có chức năng ngắt. Các chân ngõ vào được so sánh với giá trị cũ đã
được chốt trong lần đọc trước của PORTB. Các ngõ ra không trùng nhau của các chân RB4 – RB7
được OR lại với nhau để tạo ra ngắt ở PORTB với bit cờ báo ngắt RBIF.
Ngắt này có thể kích hoạt vi điều khiển trở lại trạng thái hoạt động khi nó đang ở chế độ
sleep. Trong chương trình phục vụ ngắt, có thể xóa ngắt bằng cách:
- Bất kỳ lệnh đọc hay ghi PORTB sẽ kết thúc điều kiện không thích ứng.
- Xóa bit cờ RBIF.
Điều kiện không tương thích sẽ tiếp tục làm cờ báo ngắt RBIF bằng 1. Khi đọc PORTB sẽ
chấm dứt điều kiện không tương thích và cho phép xóa bit cờ báo ngắt RBIF.
 PORTC và thanh ghi TRISC
PORTC là port hai chiều 8 bit có thanh ghi định hướng là TRISC. Khi TRISC = 1 thì
PORTC là port nhập, khi TRISC = 0 thì portC là port xuất.
PORTC được đa hợp với vài chức năng ngoại vi, các chân của PORTC có mạch đệm
Schmitt trigger ở ngõ vào.
Khi khối I2C được cho phép thì các chân PORTC<4:3> có thể được định cấu hình ở các
mức I2C hoặc mức SMBUS bằng cách sử dụng bit CKE
Khi cho phép các chức năng ngoại VI, nên chú ý đến các bit TRIS cho mỗi chân của
PORTC. Một vài thiết vị ngoại vi ghi nên bit TRIS để làm một chân như là 1 ngõ ra, trong khi đó

Bài tập lớn
các thiết bị ngoại vi khác ghi nên bit TRIS để làm một chân như là 1 ngõ vào. Khi ghi đè bit TRIS
thì không ảnh hưởng đến các thiết bị đã cho phép, các lệnh đọc – hiệu chỉnh – ghi với TRISC là
đích đến tránh phải dùng.
 PORTD và thanh ghi TRISD
PORTD là port 8 bit với ngõ vào có mạch Schmitt trigger, mỗi chân có thể được cấu hình
độc lập là ngõ vào hoặc ngõ ra.
PORTD có thể định cấu hình như port của vi xử lý 8 bit bằng cách thiết lập bit điều khiển
PSPMODE. Trong mode này thì các bộ đệm ngõ vào dạng TTL.
 PORTE và thanh ghi TRISE
PORTE có 3 chân RE0, RE1, RE2 có cấu hình độc lập để thiết lập ngõ vào hoặc ngõ ra.
Những chân này có mạch điện schmitt trigger ở ngõ vào.
PORTE trở thành các ngõ vào điều khiển xuất/nhập của vi xử lý khi bit PSPMODE = 1.
Khi dùng chế độ này phải chắc chắn rằng các bit TRISE<0:2> phải bằng 11 và chắc chắn rằng các
chân đó được thiết lập là các ngõ vào số. Các ngõ vào tương tự (thanh ghi ADCON1) cũng phải
được thiết lập như những ngõ xuất/nhập số.
Các chân PORTE cũng được đa hợp với các ngõ vào tương tự. Khi được chọn là ngõ vào
tương tự thì đọc các chân này sẽ có giá trị là 0.
TRISE điều khiển định hướng các chân RE ngay cả khi chúng được dùng như những ngõ
vào tương tự.
Mạch reset CPU
Hình 3. Mạch reset
PIC16F877A có bộ lọc nhiễu cho ngõ vào của chân reset MCLR . Bộ lọc nhiễu sẽ tách và
hủy các xung nhỏ.
Giá trị điện trở R1 chọn thường nhỏ hơn 40kΩ để đảm bảo điện áp rơi trên điện trở không
vượt quá các thông số chỉ định.
Giá trị điện trở R2 chọn lớn hơn 1kΩ để hạn chế dòng điện chạy vào chân MCLR từ tụ C
bên ngoài, trong trường hợp chân reset sụt áp liên quan đến phóng tĩnh điện.
Cấu hình bộ dao động
Mạch dao động sử dụng thạch anh và tụ lọc nhiễu được sử dụng cho mạch như hình dưới:

Bài tập lớn
Hình 3. Mạch tạo dao động
Bảng chọn giá trị tụ điện với tần số thạch anh:
Loại mạch dao
động
Tần số thạch
anh sử dụng
Giá trị tụ điện
C1
Giá trị tụ điện
C2
Thạch anh năng
lượng thấp (LP)
32kHz 33pF 33pF
200kHz 15pF 15pF
Thạch anh / cộng
hưởng (XT)
200kHz 47 – 68 pF 47 – 68 pF
1 MHz 15pF 15pF
4MHz 15pF 15pF
Thạch anh / cộng
hưởng tốc độ cao
(HS)
4MHz 15pF 15pF
8MHz 15 – 33 pF 15 – 33 pF
20MHz 15 – 33 pF 15 – 33 pF
II. IC MCP4921
PIC16F877A không hỗ trợ chức năng DAC nên để dùng chức năng này thì phải ghép nối
thêm IC phụ có chức năng DAC. DAC là chức năng ngược của ADC tức là biến đổi tín hiệu từ
dạng số sang tương tự, nó nhận vào một chuỗi số nhị phân và xuất sang tín hiệu điện áp tương tự.
Có nhiều loại IC có chức năng DAC và MCP4921 cũng nằm trong số đó. IC MCP4921 có
độ phân giải 12 bit, hoạt động trong dải điện áp từ 2,7 – 5V, sử dụng giao tiếp SPI với vi điều
khiển. IC MCP4921 có chân điện áp tham chiếu ngoài, một ngõ ra điện áp tương tự, có bộ khuếch
đại hai lần điện áp ngõ ra, thời gian xác lập ngõ ra là 4,5us, dòng tiêu thụ la 175uA, có cấu trúc 2
hàng chân với mỗi bên 4 chân và hoạt động trong dải nhiệt độ -400
C – 1250
C.
1. Sơ đồ chân
Hình 5. Sơ đồ chân IC MCP4921

Bài tập lớn
Chân 1: VDD: cấp nguồn dương
Chân 2: CS: Chip Select
Chân 3: SCK: Clock
Chân 4: SDI: Serial Data In
Chân 5: LDAC: chốt ngõ vào.
Chân 6: VREFA: điện áp tham chiếu
Chân 7: AVSS: nguồn 0V
Chân 8: VOUTA: ngõ ra analog.
2. Giao tiếp vi điều khiển với MCP4921.
Sơ đồ kết nối
Hình 6. Sơ đồ kết nối PIC16F877A và MCP4921
Chân SCK của DAC nối chân SCK của PIC
Chân SDI của DAC nối chân SDO của PIC chân CS của DAC nối vào một chân I/O bất kỳ
trừ chân SDO của PIC.
Chân LDAC nối GND, khi gửi dữ liệu số sang cho DAC thì ngay lập tức chuyển đổi thành
điện áp ngõ ra.
Chân VREFA nối nguồn VCC hoặc nối nguồn điện áp ổn định.
Cấp nguồn dương cho DAC ở chân 1 và nối đất vào chân 7.
3. Giao tiếp SPI giữa PIC và MCP4921
Để DAC tạo được điện áp ngõ ra thì phải gửi lệnh sang cho DAC. Chiều dài của lệnh là 16
bit, trong đó:
- 4 bit cao là 4 bit cấu hình, dùng để tùy chỉnh các chế độ hoạt động của DAC
- 12 bit thấp còn lại là các số nhị phân cần chuyển đổi sang điện áp tương tự

Bài tập lớn
Hình 7: giản đồ xung mô tà gửi lệnh từ vi điều khiển sang DAC.
Để gửi lệnh qua thì phải kéo chân CS xuống mức thấp, sau đó gửi 8 bit cao trước (vì mỗi
lần gửi trong giao tiếp SPI chỉ gửi được 8 bit) sau đó gửi tiếp 8 bit thấp rồi kéo chân CS lên mức 1.
Chân LDAC phải kéo xuống mức thấp thì khi đó sẽ xuất giá trị điện áp ra rồi sau đó kéo LDAC
lên mức 1 và kết thúc một chu kỳ ghi lệnh cho DAC. Nếu LDAC đã nối đất rồi thì không cần quan
tâm đến điều khiển LDAC nữa, khi đó điện áp ngõ ra sẽ được xuất ra luôn.
4.Thanh ghi lệnh của MCP4921
8 bit cao:
15 14 13 12 10 10 9 8
~A/B BUF ̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅̅ D11 D10 D9 D8
8 bit thấp:
7 6 5 4 3 2 1 0
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
A/B: chọn DAC: nếu là 0 thì là DACA, là 1 thì là DACB (chỉ áp dụng cho MCP4922).
BUF: bộ đệm VREF: nếu là 0 thì không đệm, là 1 thì có đệm.
GA: Chọn hệ số khuếch đại:
- 1: x1:
4096
OUT REF
D
V V
- 0: x2: 2
4096
OUT REF
D
V V
SHDN: Shutdown: nếu là 0 thì ngõ ra tổng trở cao, là 1 thì ngõ ra điện áp DAC.
III.Động cơ điện một chiều
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 lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với
động cơ công suất nhỏ, người 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 được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than –

Bài tập lớn
vành góp. Kết cấu của giá đỡ chổi than có khả năng điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì
áp lực tùy theo độ mòn của chổi than.
Chổi than – vành góp có chức năng đưa điện áp một chiều vào cuộn dây phần ứng và đổi
chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có
cực tính dương và một nửa có cực tính âm).
2. Nguyên 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 dòng kích từ ik và do đó mạch từ của mách sẽ có từ thông 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. Tương tác
giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành moment điện từ. Moment điện từ này
kéo cho phần ứng quay quanh trục. Giá trị của moment điện từ được tính bằng công thức:
.
2
p n
m I k I
a
   
Trong đó: p là số đôi cực của động cơ điện; n là số thanh dẫn phần ứng dưới 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 dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnh phía bên
cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một
lực hướng 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 dòng 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 đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây
lệch 900
so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính.
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác
nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo
các vị trí khác nhau của rotor.
Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
u u
u
E K
V E R I
M K I

 
 
Với: Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb)
Iu: dòng 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.
3. 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 được cung cấp bởi hai
nguồn riêng rẽ).
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với phần ứng.
- Động cơ một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích được mắc song song với phần
ứng.

Bài tập lớn
- 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.
IV.Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
1. Điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều
Đảo chiều quay của động cơ điện một chiều được thực hiện dễ dàng bằng cách thay đổi
chiều dòng điện cấp vào động cơ điện là có thể thay đổi được chiều quay của động cơ.
Một số phương pháp điều khiển chiều quay của động cơ điện một chiều:
- Sử dụng công tắc: nối vào một công tắc có 3 nấc, khi gạt công tắc sang phải thì động cơ
quay theo chiều thuận, gạt về giữa thì động cơ dừng, gạt sang trái thì động cơ quay ngược 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 trường.
Hình 8. Mạch cầu H sử dụng: a/ transistor PNP – NPN; b/ MOSFET; c/ Relay
Nguyên tắc hoạt động: (phân tích với hình a, các hình khác tương 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.
Hình 9. Dòng điện chạy trong mạch cầu H ở chế độ quay thuận.
Ở chế độ quay ngược, Q1 = 1, Q2 = 0; Q3 = 1; Q4 = 0, dòng điện sẽ đi từ Q2 qua động cơ
về Q3 xuống đất. Như vậy là đã làm cho động cơ quay theo chiều ngược lại. Muốn cho động cơ
dừng không quay thì cho Q1, Q3 và Q2, Q4 cùng mức là được.
- Sử dụng các IC chuyên dụng: các IC chuyên dụng dùng để điều khiển động cơ có thể dễ
dàng tìm thấy như L293, L293D, L298, L298N, …

Bài tập lớn
Hình 10. IC L298 và sơ đồ chân.
IC L298 được tích hợp sẵn bên trong hai mạch cầu H do đó có thể điều khiển được 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 đưa tín hiệu điều khiển động
cơ 1, chân INPUT2 đưa tín hiệu điều khiển động cơ 2. Để điều khiển chiều quay của động cơ một
chiều thì cần đưa chân INPUT 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 ngược 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 tương tự sau khi đã đưa INPUT2 lên mức 1.
2. Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Điều khiển tốc độ động cơ điện là một yêu 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 không đồng bộ. Tuy vậy thì nó được sử dụng chủ yếu cho động cơ một chiều
kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
2
( )
u puR RU
M
k k

  
 
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.
Như vậy, khi Ru, Rpu, M, k, Φ không 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 phương pháp điều chỉnh này, cần phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của
nó có thể thay đổi được để cung cấp cho phần ứng của động cơ. Các nguồn điện áp này thường
được tạo ra bởi một bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (dùng thyristor) hoặc không có điều khiển
(dùng diode).

Bài tập lớn
Hình 11. Điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ chỉnh lưu: a/ không 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 lưu
có điều khiển.
Điều chỉnh tốc độ động cơ khi sử dụng thiết bị điều chỉnh xung áp
Phương 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 lượng được đưa từ nguồn vào động cơ. Năng lượng
này phần chủ yếu được truyền qua trục của động cơ, phần còn lại được tích ở dạng động năng và
năng lượng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn thì hệ truyền động vẫn tiếp tục làm việc nhờ
năng lượng tích lũy đó.
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý và tương đương của bộ điều chỉnh xung áp.

Bài tập lớn
Hình 13. Biểu đồ thời gian điện áp và dòng điện.
Nhờ một khóa chuyển đổi K mà phần ứng động cơ được đóng, ngắt một cách có chu kỳ
vào nguồn điện một chiều có điện áp không đổi. Trong khoảng thời gian t1 khóa K đóng, động cơ
được cấp nguồn, nếu bỏ qua sự sụt áp trên khóa K thì Ut = U. Trong khoảng thời gian t2 khóa K
ngắt. Do ảnh hưởng của các điện cảm phía một chiều, dòng điện cảm ứng iu tiếp tục chạy qua
diode D. Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp thuận trên diode nhưng ngược dấu Ut = UD.
Từ đồ thị, nhận thấy trị số trung bình của dòng 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 dòng điện trung bình trong
phần ứng itb. Để thay đổi dòng 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 phương pháp điều chỉnh xung
theo độ rộng. Nếu giữ nguyên thời gian đóng khóa (t1 = const) và thay đổi t2 thì có phương pháp
điều chỉnh tần số xung. Phương pháp biến đổi độ rộng xung được xử dụng phổ biến hơn vì nó cho
phạm vi điều chỉnh rộng hơn. Phương pháp điều chỉnh tần số xung có sơ đồ đơn giản hơn nhưng
phạm vi điều chỉnh hẹp vì nếu tăng t2 quá lớn thì Tck sẽ tiến đến vô cực, nghĩa là về thực chất ý
nghĩa điều chỉnh xung không còn tác dụng.
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 phương
pháp thay đổi cực tính điện áp đặt vào phần ứng động cơ:

Bài tập lớn
Hình 14. 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 được nối với dương
nguồn, đầu B được nối âm nguồn. Trong khoảng thời gian t2 cho K2 và K4 đóng (K1 và K3 ngắt)
thì đầu B của phần ứng được nối với dương nguồn còn đầu A của phần ứng được nối với âm
nguồn. Khi đó điện áp trung bình trên phần ứng động cơ được tính bằng công thức:
1 2( )
tb
ck
U t t
U
T


Như vậy bằng cách biến đổi t1 và t2 thì có thể biến đổi được trị số của Utb và còn thay đổi
được dấu của nó, như vậy là có thể điều chỉnh được cùng lúc tốc độ và chiều quay.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều không đảo chiều dùng transistor
Hình 15. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều không 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 công suất mắc theo kiểu Darlington để có công suất lớn. Chức năng
của mchj do T2 quyết định còn T3 có tác dụng khuếch đại dòng điện ra.
Nguyên lý hoạt động: khi có xung điều khiển Uv đưa vào bazor của T1 sẽ tạo thiên áp cho
T1 do đó T1 mở. Tín hiệu ra trên emitor của T1 đưa vào bazor của T2 làm cho T2 và T3 làm việc
dẫn đến điện áp phần ứng của động cơ được 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.

Bài tập lớn
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có đảo chiều dùng transistor và OPAM
Hình 16. Mạch đảo chiều động cơ dùng transistor và khuếch đại thuật toán.
Mạch gồm 2 tầng khuếch đại:
- Tầng 1 là khuếch đại điện áp đầu vào sử dụng khuếch đại thuật toán uA741.
- Tầng 2 là tầng khuếch đại công 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 được 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.
Nguyên lý làm việc:
Khi Udk có cực tính dương 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 còn 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 còn 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 toán 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 toán tăng lên thì điện áp ở đầu ra 6 cũng tăng theo làm cho UR
tăng làm tốc độ động cơ tăng. Ngược lại khi Udk có cực tính âm thì đầu ra 6 có điện áp dương đặt
vào bazo của T1 và T2. Lúc này T1 và T3 dẫn còn T2 và T4 khóa, do đó sẽ có dòng đi từ nguồn
(+12V) qua T3 qua động cơ rồi về 0 làm động cơ quay chiều ngược lại.
Điều chỉnh tốc độ động cơ dùng thyristor.
Thyristor được dùng trong điều khiển động cơ công suất lớn và điện áp phần ứng cao.
Trong điều khiển động cơ công suất thấp thì ít dùng vì giá thành cao.

Bài tập lớn
Hình 17. 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 lưu hai nửa chu kỳ.
L và D5 có tác dụng san bằng dòng điện.
Thyristor T có tác dụng điều chỉnh điện áp ra của bộ chỉnh lưu.

Bài tập lớn
Phần II. Nội dung
I. Thiết kế và thi công phần cứng
1. Sơ đồ nguyên lý và mạch in
a. Mạch nguồn
Hình 18. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC LM2576
Hình 19. PCB mạch nguồn
b. Mạch điều khiển

Bài tập lớn
Hình 20. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển dùng VĐK PIC16F877A

Bài tập lớn
Hình 21. PCB mạch điều khiển
2. Mô phỏng trên Proteus
Hình 22. Mạch mô phỏng trên Proteus
3. Hình ảnh mạch thực tế.

Bài tập lớn
Hình 23. Mạch công suất
II. Viết code cho vi điều khiển.

Bài tập lớn
1. Trình biên dịch
Trong bài tập, chúng em sử dụng phần mềm mikroC for PIC để viết code cho vi điều khiển
PIC16F877A.
Ưu điểm của mikroC for PIC là dễ sử dụng, chỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C với nhiều
hàm xử lý sẵn giúp tiết kiệm thời gian và làm cho chương trình gọn gàng hơn.
Nhược điểm của mikroC for PIC là khó áp dụng cho các project lớn.
2. Chương trình điều khiển
#define IN1 PORTB.B0
#define IN2 PORTB.B1
#define LED1 PORTB.B2
#define CS PORTD.B1
void DAC4921(unsigned int dat)
{
CS = 0;
SPI1_Write(dat>>8 | 0x30);
SPI1_Write(dat & 0x00ff);
CS = 1;
}
void main()
{
unsigned int dat = 0;
ADCON1|= 0x07; // Khong su dung ADC
PORTA = 0xFF;
TRISA.B0 = 1; // RA0 la ngo vao

Bài tập lớn
PORTB = 0xF8;
TRISB.B0 = 0; // RB0 la ngo ra
TRISB.B1 = 0;
TRISB.B2 = 0;
TRISB.B3 = 0;
TRISB.B4 = 0;
TRISD.B1 = 0; //RD1 la ngo ra
// Khoi tao SPI
SPI1_Init();
while(1)
{
if(button(&PORTA,0,20,0)) // NUT DUNG
{
{
IN1 = 0;
IN2 = 0;
LED1 = 0;
LED2 = 1;
LED3 = 1;
}
}
if(button(&PORTA,1,20,0)) // NUT QUAY THUAN
{
{
IN1 = 0;
IN2 = 1;
LED1 = 1;
LED2 = 0;
LED3 = 1;
}
}
if(button(&PORTA,2,20,0)) // NUT QUAY NGUOC
{
{
IN2 = 0;
IN1 = 1;
LED1 = 1;
LED2 = 1;

Bài tập lớn
LED3 = 0;
}
}
if(button(&PORTA,3,20,0)) // NUT TANG TOC DO
{
dat += 50;
if(dat > 4095)
{
dat = 4095;
}
}
if(button(&PORTA,4,20,0)) // NUT GIAM TOC DO
{
dat -= 50;
if(dat < 0)
{
dat = 50;
}
}
DAC4921(dat);
Delay_ms(100);
}
}

Bài tập lớn
Phần III. Kết luận
1. Đánh giá sản phẩm
- Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, thiết kế nhỏ gọn, chi phí phù hợp.
- Nhược điểm: gồm nhiều module nên phải sử dụng dây kết nối làm giảm tính thống nhất.
2. Tính thực tế của sản phẩm
Với mô hình này, có thể ứng dụng trong các ứng dụng đóng mở cửa nơi công cộng như nhà
hàng, khách sạn.
Mạch điện có thể áp dụng cho ứng dụng điều khiển góc quay của pin mặt trời, hoặc các
ứng dụng có điều khiển quay.
Có thể ứng dụng trong các đồ chơi cho trẻ em như các ô tô đồ chơi dùng điều khiển cầm
tay.
3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển
- Hướng cải tiến: phát triển các module trên cùng một board mạch để sản phẩm được
thống nhất, không bị rối mắt vì phải câu nhiều dây.
- Hướng phát triển: có thể tích hợp thêm bộ điều khiển từ xa thay cho các nút nhấn để
điều khiển được thuận lợi hoặc kết hợp với các ứng dụng thông minh trên các điện thoại thông
minh để có được bộ điều khiển hoàn hảo.
4. Tài liệu tham khảo
- Giáo trình vi điều khiển 2 – Nguyễn Đình Phú
- Datasheet PIC16F877A, L298, MCP4921, LM2576.
- Google.com
- Alldatasheet.com

Điều khiển động cơ sử dụng IC MCP4921

More Related Content

What's hot

Similar to Điều khiển động cơ sử dụng IC MCP4921

More from Pham Hoang

Điều khiển động cơ sử dụng IC MCP4921