đề tài thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước

TÓM TẮT TIỂU LUẬNNhư đã biết động cơ bước được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như : điều khiển băngchuyền,sử dụng trong máy in,trong robot,trongm áy CNC… với xu hướng mạch điều khiển p

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ



BÁO CÁO ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

THIẾT KẾ MODULE CÔNG SUẤT ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

GVHD: ThS Lê Tấn Cường SVTH : Nguyễn Văn Dũng MSSV : 05111013

-Thiết kế module điều khiển động cơ bước.

III Ngày giao đồ án: Ngày … tháng… năm 2009

IV Ngày hoàn thành đồ án: Ngày… tháng… năm 2010

V.Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tấn Cường

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TP.HCM, Ngày… tháng… năm 2010

Giáo viên hướng dẫn

Ths LÊ TẤN CƯỜNG

TÓM TẮT TIỂU LUẬN

Như đã biết động cơ bước được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như : điều khiển băngchuyền,sử dụng trong máy in,trong robot,trongm áy CNC… với xu hướng mạch điều khiển phảinhỏ gọn,dễ điều khiển hơn so với việc sử dụng IC số.Với 2 IC chuyên dụng L297 và L298 ta cóthể giải quyết được vấn đề này

Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện tôi xin tóm tắt những vấn đề làm được qua nhữngchương sau:

- Chương 1: Động cơ bước

- Chương 2: IC L297 và L298

- Chương 3: Module điều khiển

MỤC LỤC

Nhiệm vụ của đồ án

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Tóm tắt đồ án

Mục lục

PHẦN 1: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề

1.2 Đối tượng nghiên cứu

1.3 Mục đích nghiên cứu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.5 Phương tiện nghiên cứu

1.6 Giới hạn đề tài

PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1 Khái niệm về động cơ bước……….………

1.2 Phân loại động cơ bước

1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên………

1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu………

1.2.3 Động cơ bước lai………

1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực………

CHƯƠNG 2: IC L297 và L298 2.1 IC L297

2.2.1.Giới thiệu 2.2.2 Sơ đồ chân và sơ đồ khối

2.3.3 Chức năng các chân

2.2.4 Hoạt động

2.2.5 Chuỗi xung Phase của L297

2.1.5.1 Chế độ nửa bước………

2.1.5.2 Chế độ bình thuờng………

2.1.5.3 Chế độ “sóng”-wave drive mode………

…

2.1.6 Đặc tính điện………

PHẦN 1:

DẪN NHẬPI.1 Đặt vấn đề:

Thông thường động cơ bước được điều khiển bằng vi điều khiển và IC số nhưng mạch điềukhiển thường cồng kềnh,khó điều khiển.Với nhu cầu ngày càng tối ưu hóa mạch điều khiển thìvới viêc sử dụng IC chuyên dụng để điều khiển đạt hiệu quả cao cho mục đích này

Việc sử dụng IC thường ta phải có thêm mạch cầu H nếu muốn đổi chiều động cơ,nhưng với ICchuyên dụng L298 có tích hợp 2 cầu H nên việc đổi chiều động cơ sẽ dễ dàng hơn rất nhiều.Trong phạm vi nội dung đồ án này,tôi sẽ tiến hành ghép nối 2 IC L297 và L298 để thiết kếmodule công suất điều khiển động cơ bước

1.2 Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đồ án : Động cơ bước , 2 IC L297,L298 và cách ghép nối giũachúng để thiết kế module điều khiển

1.3 Mục đích nghiên cứu:

Đồ án được nghiên cứu nhằm thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:

- Tham khảo tài liệu: tài liệu tham khảo được thu thập chủ yếu qua Internet

- Tự nghiên cứu: từ nguồn tài liệu thu thập được, quá trình thực hiện đồ án bắt buộc phải trảiqua việc nghiên cứu nguồn tài liệu, chắt lọc những thông tin có giá trị, đồng thời tự suy nghĩ tìm

ra cách giải quyết vấn đề

- Thực tế làm việc: Từng bước thực hiện giải quyết vấn đề đã đặt ra.Trong quá trình thực hiệnnảy sinh những vấn đề khó khăn mà người nghiên cứu phải trực tiếp giải quyết mới có thể tìm racách giải quyết đúng đắn

1.5 Phương tiện nghiên cứu:

Các phương tiện phục vụ cho quá trình nghiên cứu bao gồm: file hướng dẫn, sách tham khảo,tài liệu thu thập từ Internet,…

1.6 Giới hạn của đề tài:

Do còn hạn chế về kiến thức và khả năng nghiên cứu của người nghiên cứu nên đồ án vẫn còncác hạn chế

PHẦN 2:

NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1:

ĐỘNG CƠ BƯỚC1.1 Khái niệm về động cơ bước

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động

cơ học rời rạc Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điệnđiều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí Sự quay của các động cơ liên hệ trựctiếp với các xung được áp vào Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướngquay của trục động cơ Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần số cácxung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào

Hình1.1: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế

Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935 Các mô hình động cơ bước trướcđây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm Các động cơ bước ngày nay đã được cảitiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vi máy tính, các robot, cácmáy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm, các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, cácmáy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máy bán hàng nhỏ, và các máyquét…

Động cơ bước

Dây ra từ động cơ

Hình : Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.

1.2 Phân loại động cơ bước

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộndây trên stator

Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:

- Động cơ bước từ trở biến thiên

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Động cơ bước lai

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:

- Động cơ bước đơn cực

- Động cơ bước lưỡng cực

Hình : Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước

Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo Trong phươngpháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường Stator có các răng tương tự đểgiữ các cuộn dây Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator cónhiều răng nhỏ hơn Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn

1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên

Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi cácrăng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator Hoạt động này tương tự như hoạtđộng của cuộn solenoid Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác Điềunày cho phép nó đáp ứng nhanh hơn Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không cólực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do Thông thường,các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5o hoặc 15o

Hình : Động cơ bước từ trở

1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô menduy trì khi động cơ không còn được cấp điện Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được địnhhướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi

Hình : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ

và cung cấp mô men cao hơn Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm,nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt) Các động cơ bướcnam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác Chúng cũng cóđặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm

vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8o; 7,5o, 30o; 45o; và 90o

1.2.3 Động cơ bước lai

Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên vàđộng cơ nam châm vĩnh cửu Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh trụcđộng cơ Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cựcbắc còn đầu rotor đối diện là cực nam Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép đượcgắn chặt trên mỗi đầu Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai Cácđộng cơ bước lai có nhiều răng hơn và có mô men lớn hơn Các góc bước tiêu biểu là 0,9o

và 1,8o

Hình : Động cơ bước lai

Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu

và động cơ bước lai, với góc bước 1,8o Độ chính xác của hầu hết các động cơ bước là 3%góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiện nhờ vào cácgóc bước nhỏ hơn

Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước

Loại động cơ bước Góc bước tiêu biểu

Từ trở biến thiên 7,5o; 15o

Nam châm vĩnh cửu 1,8o; 7,5o; 15o; 30o; 45o; 90o

1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực

Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây,cực tính điện từ cũng bị đảo

a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý

1.2.4 Động cơ bước đơn cực

Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực Nó bao gồm hai cuộn dây trênmột cực được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc namchâm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra.Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từmạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều Thiết kế này cho phép làm đơngiản mạch điện tử lái Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dâykiểu lưỡng cực

a) Sơ đồ quấn dây đơn cực b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý

Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8dây Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn cực cho động cơ này.Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng.

Hình : Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý

ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode

và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ Với

IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic chochiều quay, chế độ IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước đâyđược tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn

IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và

thường dùng kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E

Một mạch ứng dụng điển

hình:

2.1.2 Sơ đồ chân và sơ đồ khối:

2.1.3 Chức năng các chân:

Chân Tên Chức năng

1 SYNC Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp (on-chip)

Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhiềuL297) Sử dụng chân này như sau:

+ Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nốicác chân SYNC với nhau Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn

2 GND Chân nguồn 0V

Cách nối đồng bộ các L297

3 HOME Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi tạo

(ABCD=0101)Khi chân này xuất tín hiệu “tích cực” thì các transistor đang trạngthái hở (open)

5 INH1 Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo vệ

dòng xả ngược cuộn dây

Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổnđịnh dòng tải động cơ

8 INH2 Chức năng giống chân INH2 Điều khiển phase C, D

10 ENABLE Chân cho phép hoạt động (enable) Khi chân này ở mức thấp, chân

ngõ ra phase A, B, C, D, INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp

11 CONTROL Chân điều khiển hoạt động CHOPPER

Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chânINH1, INH2 Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thôngqua các phase A,B,C,D

12 VS Chân nguồn 5V

13 SEN2 Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dòng tải ở tần công

suất của phase C, D

14 SEN1 Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B

15 VREF Điện áp tham chiếu cho mạch chopper Điều chỉnh áp đặt vào

chân này để thay đổi dòng tải đỉnh

16 OSC Chân ngõ vào mạch dao động RC để qui định tần số chopper Khi

dùng chức năng đồng bộ thì chân này nối với 0V (ngoại trừ chiptạo dao động cho hệ đồng bộ L297)

+ Tần số: f=1/0.69RC

17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ Chiều quay còn phụ thuộc

18 CLOCK Chân clock cho động cơ Loại xung tích cực mức thấp Moto

“bước” khi có cạnh xuống ở chân này

19 HALF/FULL Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước

20 RESET Ngõ vào RESET RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về vị

trí HOME (tầng 1, ABCD=0101)

2.1.4 Hoạt động:

IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linhkiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng Các tín hiệu vàolà: xung clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất

Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logicđơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp L297 có tíchhợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ IC L297 cóthể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL Nhàsản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lầnkích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửabước (luân phiên cấp điện một phase- hai phase) Hai ngõ ra “cấm”-inhibit,thường được kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộndây Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lênphase điều khiển

Chân “CONTROL” để điều chỉnh giữa 2 chế độ chopper (chọn lựa chế độ tínhiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase) Khi chopper trên cácphase, phase không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vìngắt các phase rồi lại đóng phase) Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuậtnày giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải

Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper Nó tạo xung đểset 2 flip-flop FF1 và FF2 Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áptrên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng vớiVREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao độngtiếp theo Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF

Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạtđộng đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó vànối chân OSC ở các L297 còn lại với MASS)

2.1.5 Chuỗi xung Phase của L297:

Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độhoạt động của động cơ Lưu ý, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là high-low-high (tích cực bằng cạnh lên)

Trong giản đồ là chiều quay thuận Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo chân

RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD =0101

2.1.5.1 Chế độ nửa bước:

2.1.5.2 Chế độ bình thuờng:

Chế độ bình thường còn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chânFULL/HALF ở mức thấp VÀ khi mạch điều khiển đang ở tần lẻ (1-3-5-7) Trong chế

độ này, hai chân cấm INHx luôn ở trạng mức cao

2.1.5.3 Chế độ “sóng”-wave drive mode

Chế độ điều khiển sóng còn gọi là “một phase mở” được thiết lập khi chân HALF/FULL ở

mức thấp và mạch điều khiển phase đang ở tần chẳng

(2-4-6-8)

2.1.6 Đặc tính điện:

2.1.7 Giản đồ xung clock:

2.2 L298

2.2.1 Giới thiệu

IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15)

và PowerSO20 (linh kiện dán công suất) Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge)

có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao Nó được thiết kế tương thíchchuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơbước Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động,độc lập với các chân tín hiệu vào Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗimạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòngkhi cần.Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điệnthể thấp hơn

2.2.2 Sơ đồ khối

2.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa