Đồ án Xây dựng hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc

phụ cũng đƣợc cắt hết ra khỏi rô to. 10 Hình 1.6. Khởi động động cơ rô to dây quấn 1.5.2.2. Khởi động động cơ dị bộ rô to lồng sóc Với động cơ rô to ngắn mạch do không thể đƣa điện trỏ vào mạch rô to nhƣ động cơ dị bộ rô to dây quấn để giảm dòng khởi động ta thực hiện các phƣơng pháp sau : a. Phƣơng pháp giảm điện áp Để giảm điện áp ta dùng các phƣơng pháp sau: - Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato. Khi khởi động, cầu dao D1 đóng, cầu dao D2 mở để nối cuộn kháng vào cuộn dây stato của động cơ. Khi động cơ đã quay ổn định thì đóng cầu dao D2 để ngắn mạch điện kháng. Điện áp đặt vào dây quấn stato khi khởi động: U ’ k = kU1 (k<1) (1.13) Dòng điện khởi động: I ’ k = kIk (1.14) Ik là dòng khởi động trực tiếp với U1 o rf ĐKB o o U1~ 11 LU D 2 D 1 Hình 1.7. Hạ áp mở máy bằng điện kháng Mômem khởi động: M ’ k = k 2 Mk (1.15) Ƣu điểm: Thiết bị đơn giản. Nhƣợc điểm: Khi giảm dòng khởi động thì mômen khởi động cũng giảm xuống bình phƣơng lần. - Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy [2] Khi mở máy, ta cắt cầu dao D2, đóng cầu dao D1 và D2 để động cơ nối với điện lƣới thông qua máy biến áp tự ngẫu. Thay đổi con chạy để cho lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ, sau đó dần dần tăng lên bằng định mức. động cơ quay ổn định thì đóng D2 và cắt D3 để ngắn mạch máy biến áp tự ngẫu. Khi khởi động, động cơ đƣợc cấp điện áp: Uk = kU1 (k<1) (1.16) Dòng điện khởi động: I ’ k = kIk (1.17) 12 UL 1D 2DT D 3 Hình 1.8. Mở máy bằng biến áp tự ngẫu Ik là dòng khởi động K là hệ số máy biến áp tự ngẫu Dòng điện máy biến áp tự ngẫu nhận từ lƣới điện: I1 = kI ’ k = k 2 Ik (1.18) Mômen khởi động: M ’ k=k 2 Mk (1.19) Ƣu điểm: Phƣơng pháp này làm giảm điện áp hơn so với phƣơng pháp điện kháng. Nhƣợc điểm: - Mômen có bƣớc nhảy do sự chuyển đổi giữa các điện áp. - Chỉ có thể lựa chọn một số lƣợng các điện áp do đó dẫn đến sự lựa chọn dòng điện không tối ƣu. - Không có khả năng cung cấp một điện áp có hiệu quả đối với tải trọng thay đổi. 13 - Mở máy bằng phương pháp Y - [2] Phƣơng pháp này thích ứng với những máy khi làm việc bình thƣờng đấu tam giác. Lúc mở máy chuyển sang đấu Y để điện áp đặt vào mỗi pha giảm lần. sau khi mở máy thì lại chuyển về nối tam giác. Dòng điện dây khi nối tam giác : Id∆ = n Z 3 U1 (1.20) Dòng điện khi nối sao : IdY = n 1 Z3 U (1.21) Hình 1.9. Mở máy bằng đổi nối sao tam giác Ta thấy kiểu đổi nối sao tam giác dòng điện dây mạng điện giảm đi 3 lần và mômen cũng giảm đi 3 lần. Ƣu điểm: Phƣơng pháp tƣơng đối đơn giản nên đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế. 14 Nhƣợc điểm: - Mức độ giảm cƣờng độ điện áp và mômen là cố định. - Có bƣớc nhảy lớn khi bộ khởi động chuyển đổi sao sang tam giác. Đặc điểm chung của các phƣơng pháp giảm điện áp là cùng với việc giảm dòng khởi động , mô men khởi động cũng giảm theo, nên chỉ thực hiển ở những động cơ có khởi động nhẹ còn đối với động cơ khởi động nặng không áp dụng đƣợc, ngƣời ta khởi động bằng phƣơng pháp khởi động mềm. b. Khởi động bằng phƣơng pháp tần số [1] Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay ngƣời ta chế tạo đƣợc các bộ biến tần có tính chất kĩ thuật cao và giá thành rẻ, do đó có thể áp dụng phƣơng pháp khởi động bằng biến tần. Động cơ đƣợc cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp nguồn cung cấp có giá trị rất nhỏ sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt giá trị định mức thì tốc độ động cơ đạt giá trị định mức. Phƣơng pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động không vƣợt quá giá trị dòng định mức. 15 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 MỞ ĐẦU Động cơ không đồng bộ ba pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhƣng có nhƣợc điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lƣới điện. Phƣơng pháp tối ƣu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hƣởng xấu đến các thiết bị khác trong lƣới. Phƣơng pháp khởi động đƣợc áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chƣơng trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động đƣợc điều khiển đóng mở tiristor bằng bộ vi điều khiển với các cổng vào ra tƣơng ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lƣới. Về bản chất, đây là phƣơng pháp hạ điện áp đặt vào động cơ. Cho ta thấy phƣơng pháp này thích hợp nhất với động cơ kéo các máy thuỷ khí nhƣ máy bơm, quạt gió, Đối với các ứng dụng có mômen cản không đổi, thì mômen cần phải nhỏ hơn mômen khởi động. Biện pháp này không phù hợp lắm với các ứng dụng có mômen cản tỉ lệ nghịch với tốc độ. 2.2. HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM 2.2.1. Sơ đồ hệ thống Điện áp cấp cho động cơ thay đổi phụ thuộc vào việc điều khiển thời điểm đóng mở của tiristor, hay chính là thay đổi góc điều khiển . Đối với bộ điều áp xoay chiều ba pha, mối tƣơng quan giữa điện áp đầu ra và góc là 16 khá phức tạp, tuỳ thuộc vào từng khoảng giá trị của góc . Góc đƣợc giảm dần từ giá trị đặt về 0. Muốn phát xung vào cực điều khiển của mỗi thyristor theo chu kỳ, theo luật, phải xây dựng cho bộ biến đổi một hệ thống điều khiển. Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống khởi động mềm Hệ thống gồm có : bộ điều áp ba pha và vi điều khiển avr là hai bộ phận chính: Bộ điều áp có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp để đƣa vào động cơ. Vi điều khiển avr có nhiệm vụ là điều chỉnh góc mở tiristor của bộ điều áp để điện áp đƣa vào động cơ thay đổi liên tục. 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Ban đầu ta đặt góc mở và nạp chƣơng trình điều khiển cho vi điều khiển. Từ tham số đặt, vi điều khiển nhận tín hiệu đồng bộ và so sánh, tính toán để phát xung mở tiristor ở bộ điều áp. BĐ M Vi điều khiển AVR Đặt góc mở 17 Khi mới đóng động cơ vào lƣới do tốc độ động cơ bằng không nên sức phản điện động của động cơ nhỏ dòng điện chay qua động cơ lớn để dòng điện không lớn thì điện áp đặt vào động cơ phải nhỏ lúc này góc mở tiristor lớn. Khi động cơ bắt đầu quay sức phản điện động của động cơ lớn, dòng điện chạy qua động cơ giảm để đảm bảo mômen khởi động của động cơ không nhỏ ta phải giảm góc mở Tiristor. Ta đã thay đổi liên tục điện áp đặt vào động cơ điều đó đảm bảo mômen khởi động lớn. Khi động cơ đã chạy ta cắt bộ biến đổi khỏi động cơ, nối trực tiếp động cơ với điện áp lƣới. §C RN RN K A B C AP 1 2K 3K Hình 2.2. Sơ đồ hoạt động của hệ thống 2.3. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Các bộ điều áp xoay chiều , dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao. Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các Tiristor mắc song song ngƣợc hoặc Triac để thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của 18 điện áp lƣới theo góc mở -> Từ đó thay đổi đƣợc giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải . Dƣới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất. 2.3.1. Sơ đồ đấu sao có trung tính [4] Hình 2.3. Sơ đồ đấu sao có trung tính Với sơ đồ này thì các cặp tiristor mắc ngƣợc nhau làm độc lập với nhau. Ta có thể thực hiện điều khiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc không đối xứng. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Các van đấu ở điện trung tính nên số van giảm đi một nửa. Nhƣợc điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao, khi góc mở các van khác không có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra. 19 2.3.2. Sơ đồ tải đấu tam giác [4] Hình 2.3. Sơ đồ đấu tam giac Sơ đồ này có nhiều điểm khác với sơ đồ có dây trung tính . Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristor của hai pha một lúc . Việc cấp xung điều khiển nhƣ thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn lƣới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động. 2.3.3. Sơ đồ đấu sao không trung tính Hình 2.4. Sơ đồ đấu sao không dây trung tính 20 Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha nối sao không dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp ba pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc Trƣờng hợp tổng quát sẽ có sáu đoạn điều khiển và sáu đoạn điều khiển không đối xứng. đối xứng khi cả ba tiristor dẫn, không đối xứng khi hai tiristor dẫn. Việc xác định điện áp phải căn cứ vào chƣơng trình làm việc của các tiristor. Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch nhau 1200 Khi đóng hoặc mở một tiristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của hai pha còn lại. Ta lƣu ý rằng trong hệ thống điện áp ba pha, dòng có thể chảy qua cả ba pha hoặc chỉ qua hai pha. Không có trƣờng hợp chỉ có một pha dẫn dòng. Khi dòng chảy qua cả ba pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha Khi dòng chảy qua cả hai pha thì điện áp trên pha tƣơng ứng bằng 2 1 điện áp dây Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trƣờng hợp sau với tải R Với 0 060 : Chỉ có các giai đoạn ba van và hai van cùng dẫn Với 600 090 : Chỉ có các giai đoạn hai van cùng dẫn Với 900 0150 : Chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả Với = 0 - 600 . Trong phạm vi góc này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau. 21 Dạng điện áp a U T1 2T 3T 4T 5T 6T a b c a Hình 2.5. Đồ thị điện áp pha A với góc mở = 30 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ XAXC ba pha Dùng sáu Tiristor đấu song song ngƣợc đấu với tải thuần trở, tải đấu theo hình sao và cách ly với nguồn = 30 +Trong khoảng : = 1 2 Van một dẫn dòng ở pha A ; Van 6 dẫn ở pha B ; van 5 dẫn ở pha C -> dòng có thể chảy qua ba pha -> Có UZA = UA + Trong khoảng : = 2 - 3 Van một dẫn ở pha A ; van 6 dẫn ở pha B -> dòng có thể chảy qua hai pha -> có UZA = 1/2. UAB + Trong khoảng : = 3 - 4 22 Van 1 dẫn ở pha A ; Van 2 dẫn ở pha C ; Van 6 dẫn ở pha B -> UZA = 1/2. UAB + Trong khoảng : = 4 - 5 Van 1 dẫn ở pha A ; Van 2 dẫn ở pha C -> UZA = 1/2. UAB + Trong khoảng : = 5 - 6 Van 1 dẫn ở pha A ; Van 2 dẫn ở pha C ; Van 3 dẫn ở pha B -> UZA = UA Với = 600 ÷ 900 Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn. Dạng điện áp Ua A ABU 2 2 UAC B C A = 75 = 60 0 0 0 = 60 0 = 120 T 1 2T T3 T4 T5 5T Hình 2.6. Đồ thị điện áp pha A với góc mở = 750, 23 Với = 90 ÷ 120 Trong trƣờng hợp này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không van nào dẫn cả. Dạng điện áp T5 5T 4T 3T T2 1T = 15 0 = 45 000 = 45= 105 aU Hình 2.7. Đồ thị điện áp pha A với góc mở = 1050, 24 2.4. VI ĐIỀU KHIỂN AVR Vi điều khiển AVR do công ty Atmel sản suất, là bộ xử lý RISC (Reduce Instruction Set Computer) với kiến trúc Harvard. Với những ƣu điểm đƣợc nêu ra sau đây, loại chip này đang đƣợc dùng rộng dãi trong các hệ thống nhúng. 2.4.1. Các đặc điểm chính của AVR - Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lƣu trữ và 32 thanh nghi đa năng. - Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), - Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp. - Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chip cụ thể. - Bộ nhớ chƣơng trình va bộ nhớ dữ liệu đƣợc tích hợp ngay trên chip. - Khả năng lập trình đƣợc trong hệ thống, có thể lập trình đƣợc ngay khi đang đƣợc cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch. - Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C. Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với các thanh ghi đa năng 32 bit. Tất cả các thanh ghi 32 bit này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh ghi độc lập đƣợc truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ. Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thƣờng. Với các tính năng đã nêu, chế độ nghỉ (Idle) CPU trong khi cho phép bộ truyền tin nối tiếp đồng bộ USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm bộ định thời, cổng SPI và hệ thống các ngắt vẫn hoạt động. Chế độ Power-down lƣu giữ nội dung của các thanh ghi nhƣng làm đông lạnh bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip cho đến khi có ngắt ngoài hoặc là reset phần cứng. Chế độ Power-save đồng hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chƣơng trình sử dụng giữ đƣợc đồng bộ thời gian nhƣng các thiết bị còn 25 lại là ngủ. Chế độ ADC Noise Reduction dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khi ADC đang hoạt động. Trong chế độ standby, bộ tạo dao động (thuỷ tinh thể/bộ cộng hƣởng) chạy trong khi các thiết bị còn lại ngủ. Các điều này cho phép bộ vi điều khiển khởi động rất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp. Thiết bị đƣợc sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao của Atmel. Bộ nhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống qua giao diện SPI bởi bộ lập trình bộ nhớ cố đinh truyền thống hoặc bởi chƣơng trình On-chip Boot chạy trên lõi AVR. Chƣơng trình boot có thể sử dụng bất cứ giao điện nào để download chƣơng trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứng dụng. Phần mềm trong vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùng Application Flash đƣợc cập nhật, cung cấp thao tác Read-While-Write thực. Để tối đa hoá hiệu năng tính năng và song song, AVR sử dụng kiến trúc Harvard với bộ nhớ riêng biệt và các BUS cho chƣơng trình và dữ liệu. Các câu lệnh trong bộ nhớ chƣơng trình đƣợc hoạt với một đƣờng ống lệnh mức đơn. Trong khi một lênh đang thực hiện, lệnh tiếp theo sẽ đƣợc nạp trƣớc vào từ bộ nhớ chƣơng trình. Điều này làm cho các lệnh đƣợc thực hiện trong mọi chu kỳ đồng hồ. Bộ nhớ chƣơng trình là bộ nhớ In-System Reprogrammable Flash. Tập thanh ghi truy cập nhanh bao gồm 32 thanh ghi đang năng 8 bit với thời gian ttruy cập là 1 chu kỳ đơn. Điều này cho phép ALU hoạt động trong một chu kỳ đơn. Một thao tác điển hình với hai toán hạng đƣợc của ALU, hai toán hạng đƣợc lấy ra từ tệp thanh ghi để thực hiện, và và kết quả đƣợc lƣu trữ lại trong tệp thanh ghi trong một chu kỳ đồng hồ. 6 trong số 32 thanh ghi có thể sử dụng nhƣ là 3 thanh ghi con trỏ địa chỉ gián tiếp 16 bit để chỉ vào vùng dữ liệu phục vụ cho tính toán địa chỉ hiệu dụng. Một trong các con trỏ địa chỉ này cũng có thể đƣợc sử dụng làm con trỏ địa chỉ trỏ vào bảng dữ liệu trong bộ nhớ chƣơng trình Flash. Các thanh ghi này là X, Y và Z. ALU thực hiện các phép toán logíc và số học giữa các thanh ghi hoặc giữa 26 thanh ghi với một hằng số. Cũng có thể thao tác với các thanh thanh ghi đơn trong ALU. Sau khi thực hiện phép toán số học, các thanh ghi trạng thái đƣợc cập nhật các thông tin về kết quả thực hiện. Dòng chƣơng trình đƣợc điều khiển bởi các phép nhảy có điều kiện hoặc không điều kiện đến các lệnh đƣợc gọi, và chỉ đến các địa chỉ trực tiếp trong không gian địa chỉ. Hầu hết các lệnh AVR đều thực hiện với dữ liệu 16 bit. Mỗi địa chỉ bộ nhớ chƣơng trình đều chứa 1 lệnh 32 bit hoặc 16 bit. Không gian bộ nhớ chƣơng trình Flash đƣợc chia thành 2 vùng, vùng chƣơng trình boot và vùng chƣơng trình ứng dụng, cả hai vùng này đều có bit khoá chuyên dụng để bảo vệ cho việc ghi và đọc/ghi. Lệnh SPM dùng để ghi vào vùng bộ nhớ ứng dụng phải có trong vùng chƣơng trình boot. Trong khi thực hiện các ngắt và các thƣờng trình, địa chỉ trở về của bộ đếm chƣơng trình (PC) đƣợc lƣu trữ trong stack. Nhìn chung stack đƣợc định vị trong SRAM, và do vậy kích cỡ stack đƣợc giới hạn bởi kích cỡ toàn bộ của SRAM, và cách sử dụng của SRAM. Tất cả các chƣơng trình của ngƣời sử dụng phải khởi tạo SP trong thƣờng trình reset (trƣớc khi thƣờng trình hoặc ngắt đƣợc thƣợc hiện). SP có thể trỏ đƣợc vào không gian I/O. SRAM có thể đƣợc truy cập một cách dễ dàng thông qua năm chế độ địa chỉ khác nhau hỗ trợ bởi kiến trúc AVR. Không gian bộ nhớ trong kiến trúc AVR là bản đồ bộ nhớ thông thƣờng và tuyến tính. Một module ngắt linh động có các thanh ghi điều khiển của nó trong không gian I/O cùng với thêm vào bit khởi tạo ngắt toàn cục trong thanh ghi trạng thái. Tất cả các ngắt có vector ngắt riêng biệt trong bảng vector ngắt. Các ngắt này có mức độ ƣu tiên theo vị trí của vector ngắt tƣơng ứng. Mức có địa chỉ càng thấp thì có quyền ƣu tiên càng cao. Không gian bộ nhớ I/O có 64 địa chỉ cho các chức năng ngoại vi của CPU nhƣ là các thanh ghi điều khiển, SPI, và các chức năng I/O khác. Bộ nhớ 27 I/O có thể truy cập trực tiếp, hoặc nhƣ là vị trí không gian dữ liệu theo chúng của tệp thanh ghi, $20-$5F. Thêm vào đó, nó có không gian I/O mở rộng từ $60 đến $FF trong SRAM, các không gian này chỉ có các lệnh ST/STS/STD và LD/LDS/LĐ có thể sử dụng. 2.4.2. Kiến trúc vi điều khiển avr Hình2.8. Sơ đồ kiến trúc AVR ALU( Arithmetic Logic Unit): Đơn vị xử lý số học và logic. DATA SRAM: Bộ nhớ dữ liệu. EEPROM ( electrically Erasable Proprammable Read-Only Memory): Là loại ROM có thể xóa đƣợc bằng điện sau đó ghi lại mà không cần lấy ra. DATA BUS- 8Bit: Đƣờng truyền dữ liệu 8 bit. I/0 LINES: Đƣờng vào ra tín hiệu. 32×8 GNERAL PURPOSE REGISTERS : 32thanh ghi đa năng 8 bit. 28 STATUS AND CONTROL : Khối nhận biết trạng thái và điều khiển. PROGRAME COUTER : Bộ đếm chƣơng trình. FLASH PROGRAM MEMORY : Bộ nhớ flash , là một loại bộ nhớ sử dụng các chíp NAND( tích hợp nhiều transistor lên một tấm bán dẫn), các chíp này có kích thƣớc nhỏ tốc độ đọc ghi cao, dung lƣợng lớn. INTRUCTION REGISTER : Thanh ghi lệnh. INTRUCTION DECODER : Giải mã lệnh. CONTROL LINES: Những đƣờng điều khiển. INTERRUPT UNIT: Bộ xử lý ngắt. SPI UNIT: Mạch ghép nối nội ngoại vi nối tiếp, là mạch liên kết dữ liệu nối tiếp đồng bộ cho phép bộ điều khiển truyền thông với các thiết bị ngoại vi. WATCHDOG TIME : Là bộ đếm có chức năng reset lại vi điều khiển khi xảy ra sự kiện tràn. ANALOG COMPARATOR: Bộ so sánh tín hiệu tƣơng tự. I/O MODULE1-I/O MUDULE n : Module vào ra tín hiệu. DIRECT ADDRESSING : Đƣờng địa chỉ truyền trực tiếp. IN DIRECT ADDRESSING : Đƣờng địa chỉ truyền gián tiếp. 2.4.2.1. Đơn vị xử lý số học và logic ( ALU – Arithmetic Logic Unit) AVR ALU hiệu năng cao tác động trựuc tiếp tới 32 thanh ghi đa năng. Trong vòng một chu kỳ, các toán hạng số học thực hiện giữa các thanh ghi đa năng hoặc giữa một thanh ghi và một toán hạng tức thời. Các toán tử của ALU đƣợc chia làm ba loại chính: Số học, logic, và xử lý bit. Một số phép xử lý của kiến trúc này cũng cung cấp bộ nhân số có dấu và không có dấu và dạng phân số. 29 2.4.2.2. Tệp các thanh ghi đa năng ( General Purpose Register File ) Hình2.9. Tệp thanh ghi đâ năng của AVR CPU Hầu hết các lệnh thực hiện với tệp thanh ghi có truy cập trực tiếp tới tất cả các thanh ghi, và hầu hết chúng là lệnh đơn chu kỳ. Mỗi một thanh ghi đƣợc chỉ định bởi một địa chỉ bộ nhớ dữ liệu, bố trí chúng trực tiếp vào 32 vị trí đầu tiên của không gian dữ liệu ngƣời sử dụng. Mặc dù không phải là thực hiện theo luật nhƣ các vị trí của SRAM, tổ chức bộ nhớ này cho phép linh động cao khi truy cập các thanh ghi, nhƣ là thanh ghi con trỏ X,Y,Z có thể đƣợc đặt vào danh mục của mọi thanh ghi trong tệp. The X-register, Y-register and Z-register Các thanh ghi R26..R31 có thêm các chức năng ngoài việc sử dụng nhƣ là một thanh gh đa năng. Các thanh ghi này là các con trỏ địa chỉ 16 bit cho chế độ địa chỉ gián tiếp của không gian dữ liệu. ba thanh ghi địa chỉ gián tiếp X, Y, Z đƣợc mô tả nhƣ nhƣ hình 2.10. 30 Trong các chế độ địa chỉ khác, các thanh ghi địa chỉ này có các chức năng nhƣ là độ lệch cố định, tự động tăng và tự động giảm. Hình 2.10. Các thanh ghi X, Y và Z 2.4.2.3. Điều khiển ngắt và reset (Reset and Interrupt Handling ) AVR cung cấp 1 vài nguồn ngắt khác nhau. Các ngắt này và vector reset riêng biệt có vector chƣơng trình riêng biệt nằm trong không gian nhớ chƣơng trình. Tất cả các ngắt đƣợc chỉ định bởi các bit cho phép riêng biệt mà các bit này phải đƣợc ghi mức logic 1 cùng với bit cho phép ngắt toàn cục trong thanh ghi trạng thái để cho phép ngắt. Phụ thuộc vào giá trị PC, các ngắt này phải đƣợc tự động loại bỏ khi các bit Boot Lock - BLB02 or BLB12 - đƣợc lập trình. Yếu tố này cải thiện độ an toàn phần mềm. Địa chỉ thấp nhất trong không gian bộ nhớ chƣơng trình đƣợc mặc định là Reset và Interrupt Vectors. Bảng vector ngắt 31 Hình 1.11. Bảng vector ngắt và reset Khi địa chỉ càng nhỏ thì thứ tự ƣu tiên càng cao. Các vector ngắt có thể đƣợc chuyển sang đầu của vùng Boot Flash bằng cách đặt bit IVSEL trong thanh ghi điều khiển ngắt (MCUCR). Reset Vector có thể đƣợc chuyển sang đầu của vùng Boot Flash bằng cách lập trình BOOTRST fuse. Khi một ngắt xảy ra, bit I (bit cho phép ngắt toàn cục) đƣợc xóa và tất cả các ngắt đƣợc loại bỏ. Phần mềm sử dụng có thể ghi mức logic 1 vào bit1 để cho phép các ngắt tiếp theo. Tất cả các ngắt đƣợc kích hoạt có thể ngắt những thƣờng trình ngắt hiện tại. Bit 1 đƣợc đặt tự động khi trở về từ lệnh RETI của ngắt. 32 Có 2 loại ngắt cơ bản. + Loại thứ nhất đƣợc gây ra bởi sự kiện mà đặt cờ ngắt. Đối với loại ngắt này, PC đƣợc hƣớng tới Interrupt Vector tƣơng ứng để thực hiện thƣờng trình phục vụ ngắt và phần cứng xoá cờ ngắt tƣơng ứng. Các cờ ngắt cũng có thể đƣợc ghi mức logic 1 vào vị trí bit cờ để đƣợc xoá. Nếu một điều kiện ngắt xảy ra trong khi bit cho phép ngắt tƣơng ứng bị xoá, thì cờ ngắt sẽ đƣợc đặt và đƣợc nhớ cho đến khi ngắt đƣợc thực hiện, hoặc là cờ ngắt đƣợc xoá bởi phần mềm. Tƣơng tự nếu một hoặc nhiều điều kiện ngắt xảy ra trong khi cờ cho phép ngắt toàn cục bị xoá thì các cờ ngắt tƣơng ứng sẽ đƣợc đặt và nhớ cho đến khi cờ cho phép ngắt toàn cục đƣợc đặt và nó sẽ đƣợc thực hiện theo thứ tự ƣu tiên. + Loại ngắt thứ hai sẽ kích hoạt kéo dài trong thời gian điều kiện ngắt tồn tại. Các ngắt này không cần thiết phải có cờ ngắt. Nếu điều kiện ngắt mất đi trƣớc khi ngắt đƣợc cho phép, thì ngắt sẽ không xảy ra. Khi AVR thoát khỏi từ một ngắt, nó sẽ luôn trở về chƣơng trình chính và thực hiện một hoặc nhiều lệnh trƣớc khi một ngắt nào đó còn đợi đó đƣợc phục vụ. Chú ý rằng các thanh ghi trạng thái không tự động lƣu trữ khi nhập vào một thƣờng trình ngắt, và cũng không lƣu trữ lại khi trở về từ một thƣờng trình ngắt. Điều này phải đƣợc thực hiện bởi phần mềm. Khi sử dụng câu lệnh CLI để cấm ngắt, các ngắt sẽ không đƣợc tác động ngay lập tức. Không có ngắt nào đƣợc thực hiện sau khi thực hiện lệnh CLI, thậm chí nó xảy ra cùng lúc với lệnh CLI. Thời gian đáp ứng của 1 ngắt Việc thực hiện ngắt trong ít nhất bốn chu kỳ đồng hồ với tất cả các ngắt. Sau bốn chu kỳ đồng hồ, địa chỉ vector chƣơng trình tƣơng ứng với thƣờng trình điều khiển ngắt thực sự đƣợc khởi tạo. Trong thời gian bốn chu kỳ này, PC đƣợc cất vào trong ngăn xếp. Vector thƣờng là lệnh nhảy đến thƣờng trình 33 ngắt và lệnh nhảy này mất ba chu kỳ đồng hồ. Nếu một ngắt xảy ra trong khi thực hiện một lệnh nhiều chu kỳ thì lệnh đƣợc hoàn thành trƣớc khi ngắt đƣợc phục vụ. Nếu một ngắt xảy ra khi MCU đang trong chế độ ngủ thì thời gian đáp ứng ngắt sẽ tăng thêm bốn chu kỳ. Thời gian tăng thêm này là thời gian để khởi động lại từ chế độ ngủ. Sự trở về từ một thƣờng trình điều khiển ngắt mất bốn chu kỳ xung nhịp. Trong thời gian bốn chu kỳ này, PC (2 bytes) đƣợc lấy ra từ ngăn xếp, SP đƣợc tăng lên 2, và bit I trong SREG đƣợc đặt. 2.4.2.4. Bộ nhớ Kiến trúc AVR có hai không gian bộ nhớ chính bao gồm bộ nhớ chƣơng trình và bộ nhớ dữ liệu. Thêm vào đó, Atmega8 có một bộ nhớ EEPROM để lƣu trữ dữ liệu. Tất cả ba không gian này là tuyến tính và nhƣ thƣờng lệ. a. Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại nằm bên trong vi xử lý (In-System Reprogrammable Flash Program Memory ) Atmega8 chứa 8K bytes bộ nhớ Flash có thể lập trình lại đƣợc nằm trong chip để chứa chƣơng trình. Từ khi tất cả các lệnh của AVR là 16 hoặc 32 bit thì Flash đƣợc tổ chức thành 4Kx16. Vì lý do an toàn phần mềm nên bộ nhớ chƣơng trình Flash đƣợc chia thành hai vùng: Vùng nạp chƣơng trình boot và vùng chƣơng trình ứng dụng. Bộ nhớ Flash có thể thực hiện ghi/xoá ít nhất 10.000 lần. Bộ đếm chƣơng trình (PC) là 12 bit , nó có thể địa chỉ hoá đƣợc 4K bộ nhớ chƣơng trình. Bảng hằng số có thể đƣợc đặt trong không gian bộ nhớ chƣơng trình. 34 Bản đồ bộ nhớ chƣơng trình nhƣ hình 2.12. Hình 2.12. Bản đồ bộ nhớ chương trình b. Bộ nhớ dữ liệu SRAM (SRAM Data Memory ) Bản đồ bộ nhớ dữ liệu SRAM đƣợc chỉ ra trên hình 2.13. Hình 2.13. Bản đồ bộ nhớ dữ liệu SRAM ATmega8 là bộ vi điều khiển hoàn chỉnh hỗ trợ nhiều thiết bị ngoại vi trong 64 vị trí đƣợc đặt trƣớc trong mã lệnh IN/OUT. Đối với các không gian vào ra mở rộng từ 0x60 đến 0xFF trong SRAM thì chỉ có các lệnh ST/STS/STD và LD/LDS/LDD mới đƣợc sử dụng. 35 Năm chế độ địa chỉ khác nhau cho bộ nhớ dữ liệu bao gồm: Trực tiếp, gián tiếp với độ lệch, gián tiếp, gián tiếp với độ lệch giảm, và gián tiếp với độ lệch tăng lên. Trong tệp thanh ghi, các thanh ghi từ R26 đến R31 dùng để làm các thanh ghi con trỏ địa chỉ gián tiếp. Địa chỉ trực tiếp chỉ tới toàn bộ không gian dữ liệu. Chế độ gián tiếp với độ lệch chỉ đến 63 vị trí từ địa chỉ cơ sở đƣợc đƣa ra bởi thanh ghi Y hoặc Z. Khi sử dụng các chế độ địa chỉ gián tiếp thanh ghi với độ giảm hay tăng tự động, thanh ghi địa chỉ X, Y và Z đƣợc giảm hoặc đƣợc tăng. c. Bộ nhớ dữ liệu EEPROM (EEPROM Data Memory ) ATmega8 chứa 512 byte bộ nhớ dữ liệu EEPROM. Nó đƣợc tổ chức thành không gian dữ liệu riêng biệt, trong chúng các byte đơn có thể đƣợc đọc và ghi. EEPROM có thể đọc ghi đƣợc ít nhất 100.000 lần. EEPROM Read/Write Access – đọc/ghi vào EEPROMass Các thanh ghi truy nhập EEPROM có thể đƣợc thực hiện trong không gian I/O. Thanh ghi địa chỉ EEPROM – EEARH và EEARL Bits 15..9 – Res: Các bit dự phòng Các bit này đƣợc đặt dự phòng trong Atmega8 và sẽ luôn là 0. Bits 8..0 – EEAR9..0: Địa chỉ EEPROM Giá trị khởi tạo của EEAR là không xác định. Giá trị thích hợp phải đƣợc ghi trƣớc khi EEPROM có thể đƣợc truy cập. Thanh ghi dữ liệu EEPROM – EEDR 36 Bits 7..0 – EEDR7.0: Dữ liệu EEPROM Để ghi EEPROM, thanh ghi dữ EEDR chứa dữ liệu đƣợc ghi vào trong EEPROM với địa chỉ đƣợc chỉ ra trong thanh ghi EEAR. Khi đọc EEPROM, thanh ghi EEDR chứa dữ liệu đọc ra từ EEPROM tại địa chỉ chỉ ra tại EEAR. Thanh ghi trạng thái EEPROM – EECR Bits 7..6 – Res: Các bit dự phòng Các bit này đƣợc đặt dự phòng trong Atmega8 và sẽ luôn là 0. Bit 5..4 – EEPM1 và EEPM0: Các bit chế độ lập trình EEPROM Bit 3 – EERIE: EEPROM Ready Interrupt Enable Bit 2 – EEMWE: EEPROM Master Write Enable Bit 1 – EEWE: EEPROM Write Enable Bit 0 – EERE: EEPROM Read Enable Phòng ngừa sai lệch dữ liệu EEPROM Trong thời gian nguồn điện VCC bị sụt dữ liệu của EEPROM có thể bị sai bởi vì điện áp cung cấp quá thấp cho CPU và EEPROM làm việc đúng. Điều này cũng tƣơng tự đối với các hệ thống bản mạch sử dụng EEPROM, và các giải pháp thiết kế tƣơng tự nên đƣợc ứng dụng. Một sự sai khác dữ liệu của EEPROM có thể bi gây ra bởi hai yếu tố khi mà điện áp quá thấp: Đầu tiên là sự liên tiếp ghi vào EEPROM đòi hỏi một điện áp tối thiểu để hoạt động một cách đúng đắn. Thứ hai là CPU có thể tự thực hiện sai câu lệnh nếu điện áp cung cấp quá thấp. 37 d. Bộ nhớ I/O Tất cả các I/O và thiết bị ngoại vi đƣợc đặt vào không gian I/O. Vị trí I/O đƣợc truy truy nhập bởi lệnh LD/LDS/LDD và lệnh ST/STS/STD, chuyển đổi dữ liệu giữa 32 thanh ghi đa năng và không gian I/O. Các thanh ghi I/O trong vùng địa chỉ $00-$1F có thể truy cập trực tiếp các bit bằng cách sử dụng câu lệnh SBI và CBI. Trong các thanh ghi này, giá trị của các bit đơn có thể đƣợc kiểm tra bằng cách sử dụng các câu lệnh SBIS và SBIC. Khi sử dụng các lệnh xác định I/O IN và OUT, địa chỉ I/O $00 - $3F phải đƣợc sử dụng. Khi đánh địa chỉ I/O các thanh ghi nhƣ là vùng dữ liệu sử dụng lệnh LD và ST,và phải thêm $20 vào các địa chỉ này. Để tƣơng thích với các thiết bị trong tƣơng lai, các bit dự phòng đƣợc đặt là 0 nếu đƣợc truy cập. Các địa chỉ bộ nhớ I/O dự phòng không nên ghi. Một vài cờ trạng thái đƣợc xoá bằng việc ghi 1 vào chúng. Các thanh ghi I/O đa năng: ATmega 8 có 3 thanh ghi I/O đa năng, các thanh ghi này có thể sử dụng để chứa mọi thông tin, đặc biệt có thể hiệu dụng để chứa các biến toàn cục và các cờ trạng thái. Các thanh ghi này có địa chỉ từ 0x1F có thể truy nhập trực tiếp đến các bit bằng cách sử dụng các câu lệnh SBI, CBI và SBIC. Bao gồm các thanh ghi: GPIOR2, GPIOR1, GPIOR0. 38 CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM 3.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC Thông số động cơ không đồng bộ P= 0,125KW; cos = 0,7; n=1400vg/ph Y / ∆= 380/220 ; 0,43/0,74 Ta lựa chọn mạch động lực là mạch điều áp xoay chiều 3 pha bằng cặp tiristor mắc song song ngƣợc tải đấu sao không dây trung tính: B C R1 R1 R1 R2 R2 R2 c2 c2 c2 c1 c1 c1 Hình 3.1. Sơ đồ mạch động lực 39 3.1.1. Chọn van bán dẫn Dòng điện hiệu dụng động cơ: Idc = )A(27,0 07,380.3 125 cos.U.3 P d Dòng điện hiệu dụng đi qua mỗi tiristor: )A(135,0 2 27,0 2 I I dc Tlv Do ta chọn cách làm mát cho van là gắn van bán dẫn lên cánh tỏa nhiệt Với điều khiện này tiristor làm việc với dòng điện đến 30% dòng điện định mức Dòng điện của tiristor cần chọn: )A(45.0 30 100.135,0 30 100.I I Tlv Tdm Điện áp của thyristor ở trạng thái khóa: UTlv = )V(4,537380.2U2 d Điện áp định mức của thyristor cần chọn: UTdm = Kdt.UTlv =1,8.537,4 =967,3 (V) Kdt là hệ số dự trữ chọn Kdt=1,8 Tiristor mắc vào lƣới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch của tiristor ảnh hƣởng không lớn đến việc chuyển tiristor. Từ các thông số trên ta chọn loại tiristor BT151 có các thông số sau Un max =1000V Idk = 15 mA Udk =1,5V Idm max= 5A Ih =20 mA Ir =2,5 mA ∆U =1,6V Tcm =70µ(s) Tmax =110 o c 3.2.2. Chọn phần tử bảo vệ van bán dẫn a. Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lƣới bằng mạch R1C1 Để bảo vệ xung điện áp từ lƣới điện, mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R-C nhằm lọc xung. Khi xuất hiện xung điện áp trên đƣờng dây, nhờ có 40 mạch lọc này mà đỉnh xung gần nhƣ nằm lại hoàn toàn trên điện trở đƣờng dây. Chọn R1=(5÷20)Ω, C1= 4µF b. Bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van bán dẫn bằng mạch R2C2 Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van dùng mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn. Khi có sự chuyển mạch, do có sự phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp P-N. Mạch R- C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Chọn R2= (5÷30)Ω, C2=(0,5÷4)µF c. Bảo vệ ngắn mạch, quá dòng điện cho van Chọn aptomat làm thiết bị bảo vệ UdmA > Udml IdmA> Idc = 2,75 A Chọn aptomat loại 50AF của hãng LG có thông số: Udm= 600V, Idm=5A d. Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn: Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua , trên van có sụt áp , do đó có tổn hao công suất p. Tổn hao này sinh nhiệt , đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ đƣợc làm việc dƣới nhiệt độ cho phép Tcp nếu quá nhiệt độ cho phép thi van bán dẫn sẽ bị phá hủy. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng vì nhiệt, phải chọn cánh tản nhiệt hợp lý. Thông số cần có: Tổn thất công suất trên một tiristor: p = U.Ilv = 1,6.0,2=0,32W Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Stn = p/Km.τ Τ: là độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trƣờng Chọn nhiệt độ môi trƣờng là Tmt =30 0 C Nhiệt độ làm việc cho phếp của tiristor: Tcp=110 0 C 41 Chọn nhiệt độ làm việc trên cánh tản nhiệt là Tlv=80 0 C τ = Tlv –Tmt =80-30 =50 0 C Km: hệ số tảo nhiệt bằng đối lƣu và bức xạ. chọn Km=8 W/m 2 0 C Stn =0,32/8.50 =0.008 m 2 =8 cm 2 Chọn loại cánh tản nhiệt có 6 cánh, loại nhỏ đƣợc làm bằng nhôm. 3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dùng vi điều khiển AVR Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển Khối vi xử lý (VXL) là khối trung tâm của hệ thống điều khiển, nó thực hiện các nhiệm vụ sau: - Ghép nối với Panel điều khiển. Nhận các tham số, lƣu chúng vào EEPROM. Khâu tạo xung đồng bộ Khuếch đại xung Khối nguồn nuôi IC và VĐK A B C In put Out put Khâu tạo xung bằng vi điều khiển AVR Đặt góc mở 42 - Từ các tham số đặt, tính toán để thay đổi góc điều khiển theo thời gian. - Nhận xung đồng bộ, tạo luật phát xung và phát xung điều khiển (6 kênh, dạng số) theo xung đồng bộ. - Thông qua xung đồng bộ nhận biết và báo lỗi khi có sự cố mất pha. - Nhận các tín hiệu bảo vệ quá dòng, dừng khẩnđể dừng hệ thống. Khâu đồng bộ bao gồm biến áp đồng pha mắc /Y, mạch so sánh điểm qua không và cách ly quang, điều chế ra ba xung vuông tần số 50 Hz lệch pha nhau 120 0 điện đồng pha với điện áp pha của lƣới và đƣợc đƣa vào ba chân của vi xử lý. Khi đƣa ba xung đồng bộ vào tuy mạch đồng bộ có hơi cồng kềnh nhƣng bù lại khi phát xung vào các van trong từng pha là độc lập nhau do đó khi nối bộ khởi động với lƣới điện, hệ thống điều khiển không cần phải dò thứ tự pha để phát xung mà chỉ cần quan tâm đến chiều quay của động cơ. Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ khuếch đại xung từ khâu phân phối xung đƣa đến kích mở tiristor, ngoài ra còn sử dụng biến áp xung nhằm cách ly mạch điều khiển và mạch động lực. 3.2.2. Tính toán và phân tích mạch điều khiển Mạch điều khiển đƣợc tính toán xuất phát từ yêu cầu xung mở tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp điều khiển tiristor: Uđk= 1,5V Dòng điện điều khiển tiristor: Iđk=15mA Thời gian mở xung: tm=70µs Độ rộng xung điều khiển: tx=2.tm= 140 µs Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U=9V 3.2.2.1. Tính biến áp xung Ta chọn sơ bộ: Vật liệu làm lõi sắt là thép Perit HM lõi có dạng hình trụ có H = 30 A/m và B = 0,3 T, có khe hở không khí. Tỷ số máy biến áp xung chọn m = 2 43 Điện áp thứ cấp : U2 = Ug = 1,5 V Điện áp sơ cấp : U1 = m . U2 = 1,5 . 2 = 3 V Dòng điện thứ cấp: I2 = Ig = 15 mA Dòng điện sơ cấp: I1 = m I 2 = 7,5 mA Độ rộng xung : tx = 140 s = Mức sụt biên độ xung : S = 0,15 Chọn độ từ thẩm không khí 0 = 1,25.10 -6 H/m Độ từ thẩm trung bình tb của lõi thép: 3 6 0 1 10.8 30.10.25,1 3,0 H. B Thể tích lõi thép cần có: V = 2 2 3663 2 11xxtb0 cm0525,0 3,0 10.5,7.3.15,0.10.140.10.25,1.10.8 B I.U.S.t.. L.Q Chọn mạch từ OA-12/14-3 có thể tích V= Q.L = 0,03.4,1= 0,123 cm2 Với kích thƣớc đó ta có kích thƣớc mạch từ nhƣ sau: a= 1 mm; b= 3mm ; d= 12 mm ;D= 14mm ; l= 4,1 cm Q= 0,03 cm 2 ; Qcs= 1,13 cm 2 Số vòng dây cuộn sơ cấpBAX: 266 76,0.10.3,0 10.140.3 Q.B t.U W 6 6 x1 1 (vòng) Số vòng dây cuộn thứ cấp BAX: 133 2 226 m W W 1 2 (vòng) Chọn J1 = J2 = 2 A/mm 2 Tiết diện dây sơ cấp: 2 1 1 1 mm00375,0 2 0075,0 J I S 44 Đƣờng kính dây sơ cấp: 069,0 14,3 00375,0.4S.4 d 1 1 mm Chọn d1= 0.1mm ; S1= 0,00785 mm 2 Tiết diện dây thứ cấp: 2 2 2 2 mm0075,0 2 015,0 J I S Đƣờng kính dây thứ cấp: mm089,0 14,3 0075,0.4S.4 d 2 2 Chọn d2= 0,1mm ; S2= 0,00785 mm 2 Kiểm tra hệ số lấp đầy: 0235,0 133 133.00785,0266.00785,0 Q W.SW.S K cs 2211 ld Nhƣ vậy cửa sổ đủ điện tích cần thiết 3.2.2.2. Tính chọn khâu khuếch đại xung a. Sơ đồ nguyên lý Hình 3.3. Sơ đồ khâu khuếch đại + 9 R8 D1 R5 R2 D2 T1 R6 R 7 45 b. Nguyên lý hoạt động Khâu khuếch đại xung làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu xung ở chân14 PB0 của vi điều khiển avr8 thành tín hiệu cũng có biên độ , độ rộng và công suất đủ lớn để kíck mở tiristor T1. c. Công thức tính toán Chọn các điốt D6 , D7 , D8 loại 2608 có các thông số sau: U = 220 V I = 5 A Chọn bóng tranzito công suất T2 loại TIP41 có các thông số sau: Điện áp giũa colecto va bazo khi hở mạch emito : UCBO = 40V Diện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colecto : UEB0 = 5 V Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu đựng : Icmax =10A Dòng điện làm việc của colecto : Ic = 6A Dòng điện làm việc của bazo : : IB = 2A Ta thấy rằng với loại tiristor dã chọn có công suất điều khiển là khá bé Uđk =1,5V ; Iđk = 0,015A. nên dòng colecto-bazo của tranzito khá bé nên ta chỉ cần phải sử dụng một trazito Chọn nguồn cấp cho biến áp xung là E =9V nên ta phải mắc nối tiếp thêm điện trở R8 nối tiếp với cực emitor của Trazito R8 =(E – U1)/I1 =(9-3)/0,0075= 800Ω Tất cả các diod trong mạch sử dụng loại 1N4009 có thông số : Dòng điện định mức : Iđm =10A Điện áp ngƣợc lớn nhất : UN = 25V Điện áp để cho diod mở thông : Um =1V 46 3.2.2.2. Khâu tạo xung Khâu tạo xung sử dụng on chip avr atmega8 a. Cấu trúc chung của avr atmega8 Hình 3.4. AVR atmega8 Mô tả các chân VCC : Điện áp cung cấp số. GND : Chân nối đất. 47 PORT A: Đầu vào của bộ biến đổi A/D. Port A cũng là cổng I/O 8 bit hai chiều nếu bộ biến đổi A/D không đƣợc sử dụng. PORT B: (PB7:0) Port B là cổng I/O 8-bit hai chiều với các điện trở pull- up bên trong (đƣợc lựa chọn cho mỗi bit). Bộ đếm đầu ra của Port B có đặc tính điều kiển cân đối với cả tín hiệu source và sink. Khi là tín hiệu đầu vào, các chân của cổng B sẽ tiêu thụ dòng nếu các điện trở pull-up bên trong đƣợc kích hoạt. Các chân của Port B là 3 trạng thái khi có tín hiệu reset đƣợc kích hoạt, thậm chí đồng hồ không chạy. - Tuỳ thuộc việc đặt các cầu chì lựa chọn xung nhịp, chân PB6 có thể đƣợc sử nhƣ là đầu vào bộ khuyếch đại dao động đảo và đầu vào mạch thao tác xung nhịp bên trong. - Tuỳ thuộc việc đặt các cầu chì lựa chọn xung nhịp, chân PB7 có thể đƣợc sử nhƣ là đầu ra từ bộ khuyếch đại dao động đảo. - Nếu nhƣ bộ dao động RC định cỡ bên trong đƣoc sử dụng nhƣ là nguồn xung nhịp của chíp bên trong thì PB7..6 đƣợc sử dụng nhƣ là đầu vào TOSC2..1 cho Timer/Counter2 nếu nhƣ bit AS2 trong thanh ghi ASSR đƣợc đặt. PORT C: (PC5:0) Port C là cổng I/O 7-bit hai chiều với các điện trở pull- up bên trong (đƣợc lựa chọn cho mỗi bit). Bộ đếm đầu ra của Port C có đặc tính điều kiển cân đối với cả tín hiệu source và sink. Khi là các tín hiệu đầu vào, các chân của cổng C sẽ tiêu thụ dòng nếu các điện trở pull-up bên trong đƣợc kích hoạt. Các chân của Port C là 3 trạng thái khi có tín hiệu reset đƣợc kích hoạt, thậm chí đồng hồ không chạy. - PC6/Reset: Nếu cầu chì RSTDISBL đƣợc lập trình, PC6 đƣợc sử dụng nhƣ là một chân I/O. Chú ý rằng đặc tính về điện của PC6 khác với các chân PC khác. - PC6/Reset: Nếu cầu chì RSTDISBL không đƣợc lập trình, PC6 đƣợc sử dụng nhƣ là một chân đầu vào Reset. Khi tín hiệu ở mức thấp dài hơn độ dài của xung nhỏ nhất sẽ gây ra Reset thậm chí các xung nhịp không còn. 48 PORT D: (PD7:0) Port D à cổng I/O 8-bit hai chiều với các điện trở pull- up bên trong (đƣợc lựa chọn cho mỗi bit). Bộ đếm đầu ra của Port D có đặc tính điều kiển cân đối với cả tín hiệu source và sink. . Khi là các tín hiệu đầu vào, các chân của cổng C sẽ tiêu thụ dòng nếu các điện trở pull-up bên trong đƣợc kích hoạt. Các chân của Port C là 3 trạng thái khi có tín hiệu reset đƣợc kích hoạt, thậm chí đồng hồ không chạy. AVCC : là chân cấp điện cho cổng A và bộ biến đổi A/D, PC3:0. và ADC7:6. Nó đƣợc nối nội bộ đến VCC ngay cả trong trƣờng hợp ADC không đƣợc sử dụng. Nếu ADC đƣợc sử dụng, nó phải đƣợc nối với VCC qua bộ lọc thông thấp. Chú ý rằng PC6:4 đƣợc sử dụng điện áp VCC. AREF: là chân tín hiệu tham chiếu analog nối vào bộ biến đổi A/D. RESET: thiết lập lại đầu vào. XTAL1 & XTAL2: chân vào ra của thạch anh tạo dao động. b. Bộ tạo dao động của on chip On-chip có hai chân , là ngõ vào và ngõ ra của một mạch khuếch đại đảo đƣợc dùng nối với bộ dao động để tạo xung đồng hồ cho on-chip. On-chip sử dụng bộ dao động trong bằng cách nối hai chân , với một mạch cổng hƣởng tinh thể thạch anh 12MHz có tụ thoát nhiễu xuống đất nhƣ hình 3.5 c. Mạch reset Chân reset đƣơc điều khiển bởi một mạch R-C để reset hệ thống tự động khi cấp nguồn, đồng thời ta có thể reset hệ thống bằng tay nhờ vào chuyển mạch nút ấn. 49 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động và reset của atmega8 3.2.2.3. Khâu đồng bộ Khâu đồng bộ bao gồm biến áp đồng pha mắc /Y, mạch so sánh điểm qua không và cách ly quang, điều chế ra ba xung vuông tần số 50 Hz lệch pha nhau 120 0 điện đồng pha với điện áp pha của lƣới và đƣợc đƣa vào chân của vi xử lý. 220V 1 2 4 3 1 2 4 3 R1 C2 R3 OPTO1 OPTO2 Hình 3.6. Khâu tạo xung đồng bộ Chọn cách ly quang OPTO P512. 50 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển một pha 51 3.2.3. Sơ đồ thuật toán và chƣơng trình điều khiển 3.2.3.1. Sơ đồ thuật toán 3.2.3.2. Chƣơng trình điều khiển a. Chƣơng trình phát xung với góc mở : #include #include #define xung PORTB.0 #define led PORTD.7 unsigned int von,f; long int x=200; Khởi tạo start Động cơ hoạt động stop Dừng động cơ Nạp chƣơng trình điều khiển 52 void tre() { int j; for(j=0;j<=x;j++); } void open() { int i; for(i=0;i<=2;i++) { xung=~xung; delay_us(1); } xung=0; } // External Interrupt 0 service routine interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { tre(); open(); } #define ADC_VREF_TYPE 0x40 unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); delay_us(10); ADCSRA|=0x40; 53 while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } void main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0x01; PORTC=0x00; DDRC=0x00; PORTD=0x80; DDRD=0x80; TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; 54 GICR|=0x40; MCUCR=0x02; GIFR=0x40; TIMSK=0x00; ACSR=0x80; SFIOR=0x00; ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x87; #asm("sei") while (1) { x--; delay_ms(100); if(x==0) while(1) { x=0; } }; } */ b. Chƣơng trình hiện thị lcd: #include #include #asm .equ __lcd_port=0x12 ;PORTD #endasm 55 #include int x=30; void so(long i) { int j; unsigned char d[3]; for(j=0 ; j<=2 ; j++) { d[j] = i%10; i /= 10; } for(j=2 ; j>=0 ; j--) lcd_putchar(d[j]+0x30); } void main(void) { PORTB=0x00; DDRB=0x00; PORTC=0x20; DDRC=0x20; PORTD=0x00; DDRD=0x00; TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; 56 ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; MCUCR=0x00; TIMSK=0x00; ACSR=0x80; SFIOR=0x00; lcd_init(16); while (1) { lcd_gotoxy(1,1); so(x); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Goc mo hien tai"); delay_us(50); x++; if(x==181) while(1); }; } */ 57 3.3. LẮP RÁP HỆ THỐNG Sau khi tính toán xong phần lý thuyết, em đã đi vào lắp ráp bộ khởi động mềm theo mô hình đã đƣợc khảo sát với các công đoạn sau đây: 3.3.1. Lắp ráp mạch động lực Mô phỏng mạch động lực trên phần mềm proteus Hình.3.8 . Mạch nguyên lý của mạch động lực Hình 3.9. Mạch in của mach động lực 58 3.3.2. Lắp ráp mạch điều khiển Mô phỏng mạch điều khiển trên phần mềm proteus Hình 3.10. Mạch nguyên lý của mach điều khiển 59 Hình 3.11. Mạch hiện thị LCD Hình 3.12. Mạch in của mạch điều khiển 60 3.4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Mô hình thực tế: 61 Sơ đồ thí nghiệm với động cơ có công suất P =0,125W. Bảng kết quả thí nghiệm trong trƣờng hợp không tải: Góc mở Dòng điện động cơ Iđc = 150 0 0,15A = 105 0 0,17A = 75 0 0,18A = 30 0 0,23A = 0 0 0,27A 62 KẾT LUẬN Qua mƣời hai tuần thực hiện đề tài: “Xây dựng hệ thống khởi động mềm động cơ dị bộ lồng sóc”, em thấy đề tài này thật bổ ích cho những sinh viên sắp ra trƣờng nhƣ chúng em, vì thực tế động cơ không đồng bộ là nhân tố rất quan trọng trong công nghiệp, nghiên cứu về đặc điểm của nó, về những phƣơng pháp khởi động, phƣơng pháp điều chỉnh điện áp, tính toán những phần tử trong bộ khởi động để thiết kế mạch khởi động động cơ. Điều đó sẽ giúp ích nhiều cho công việc sau này. Tập đồ án này mặc dù còn nhiều hạn chế, nhƣng trong quá trình thực hiện đề tài đã giúp em tự đánh giá và hiểu kỹ hơn về các kiến thức chuyên môn, đó cũng là kết quả của nhiều năm học tập cùng với sự dạy dỗ rất tận tình của các thầy cô trong bộ môn điện công nghiệp và dân dụng. Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô và đặc biệt là thầy giáo GS.TSKH. Thân ngọc Hoàn đã chỉ bảo rất tận tình để em hoàn thành quyển đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn. Hải phòng, ngày 12 tháng 7 năm 2010 Sinh viên thực hiện 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH. Thân ngọc Hoàn, 2005 Máy điện, Nhà xuất bản Xây Dựng [2] Đặng văn Đào –Trần khánh Hà – Nguyễn hồng Thanh, 2007 Giáo trình máy điện, Nhà xuất bản Giáo DỤC [3] Nguyễn Bính, 1996 Điện tử công suất, Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật [4] Trần văn Thịnh, 2008 Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất bản Giáo dục [5] Ngô diên Tập, 2003 Kĩ thuật vi điều khiển với avr, Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật 64 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ....................................................................................... 2 1.1. MỞ ĐẦU .................................................................................................... 2 1.2. CẤU TẠO .................................................................................................. 2 1.2.1. Cấu tạo của stato ..................................................................................... 2 1.2.2. Cấu tạo của rô to ..................................................................................... 3 1.3. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN DỊ BỘ ............................. 4 1.4. PHƢƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ ........................................................... 6 1.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ DỊ BỘ ............. 8 1.5.1. Khởi động trực tiếp. ................................................................................ 8 1.5.2. Khởi động dùng phƣơng pháp giảm dòng khởi động ............................ 9 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ...................................................................................................... 15 2.1 MỞ ĐẦU .................................................................................................. 15 2.2. HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM .......................................................... 15 2.2.1. Sơ đồ hệ thống ....................................................................................... 15 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống........................................................ 16 2.3. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ......................................... 17 2.3.1. Sơ đồ đấu sao có trung tính .................................................................. 18 2.3.2. Sơ đồ tải đấu tam giác ........................................................................... 19 2.3.3. Sơ đồ đấu sao không trung tính............................................................. 19 2.4. VI ĐIỀU KHIỂN AVR ............................................................................ 24 2.4.1. Các đặc điểm chính của AVR ............................................................... 24 2.4.2. Kiến trúc vi điều khiển avr .................................................................... 27 65 CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM ............................................................................................................... 38 3.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC ............................................................. 38 3.1.1. Chọn van bán dẫn .................................................................................. 39 3.2.2. Chọn phần tử bảo vệ van bán dẫn ........................................................ 39 3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ........................................................... 41 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dùng vi điều khiển AVR .................... 41 3.2.2.Tính toán và phân tích mạch điều khiển ................................................ 42 3.2.3. Sơ đồ thuật toán và chƣơng trình điều khiển ........................................ 51 3.3. LẮP RÁP HỆ THỐNG ............................................................................ 57 3.3.1. Lắp ráp mạch động lực .......................................................................... 57 3.3.2. Lắp ráp mạch điều khiển ....................................................................... 58 3.4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC........................................................................... 60 KẾT LUẬN .................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO