Xây dựng mô hình CIM cho dây chuyền sản xuất linh hoạt

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không saochép của ai Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đượcđăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của luậnvăn

Hưng Yên, ngày 12 tháng 8 năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Việt Hương

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, dưới sự chỉ dẫn tận tình của quý thầy cô, sự giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện cho tôi tích luỹ được nhiều kiến thức khoa học quý báu và đến nay tôi đã hoàn thành luận văn cao học.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và cán bộ của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên đặc biệt là thầy TS Đinh Văn Nhượng trường Đại Học Sao Đỏ đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn.

Xin cảm ơn lãnh đạo, bạn bè, đồng nghiệp nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khoá học.

Xin cảm ơn gia đình đã động viên tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.

Hưng Yên, ngày … tháng năm 2014

Học viên thực hiện

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FMS: Flexible Munufacturing Systems

CIM: Computer Itegrated Munufacturing

RISC:Reduced Instruction Set Computer

ASIC : Application Specific IC

AVR: Advanced Virtual RISC

ROM: Read Only Memory

EPROM: Error Programmable Read – Only Memory

EEPROM: Electronically Erasable Read – Only Memory

LCD: Liquid Crystal Display

PWM: Pulse Width Modulation

ADC: Analog – to – digital converter

USARTS: Universal Syncgronous and Asynchronous serial Receiver andTransmitter

SRAM: Static Random Access Memory

IC: Integrated Circuit

CPU: Central Processing Unit

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình1.1 Atmel AVR ATmega8 PDIP

Hình1.2 Cấu trúc bộ nhớ AVR ATmega128

Hình 1.3 Thanh ghi 8 bits

Hình1.4 Sơ đồ chân ATMEGA128

Hình 1.5 Thanh ghi EICRA

Hình 1.6 Thanh ghi EICRB

Hình 1.7 Sơ đồ khối bộ so sánh tương tự

Hình 1.8 Sơ đồ khối bộ USART

Hình 1.9 Sơ đồ của một khối ADC

Hình 2.1 Một số mẫu động cơ bước trong thực tế

Hình 2.2 Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.Hình 2.3 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước

Hình 2.4 Động cơ bước từ trở

Hình 2.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Hình 2.6 Động cơ bước lai

Hình 2.7 Sơ đồ cấu tạo động cơ bước

Hình 2.8 Hình mẫu của một động cơ bước trong thực tế

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ khi

điều khiển bằng xung 2 cực

Hình 2.10 Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato

Hình 2.11 Step motor 4 dây

Hình 2.12 Step motor 6 dây

Hình 2.13 Step motor 8 dây (Đấu song song)

Hình 2.14 Step motor 8 dây (Đấu nối tiếp)

Hình 2.15 Phương pháp băm xung tần số không đổi

Hình 2.16 Phương pháp băm xung duy trì thời gian Toff không đổi

Hình 2.17 Phương pháp băm xung với tần số tự do

Hình 2.18 Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên.

Hình 2.19 Các mạch nguyên lý triệt EMF ngược

Hình 2.20 Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu và lai đơn

cực

Hình 2.21 Động cơ bước 2 pha (vòng lặp hở)

Hình 2.22 Động cơ bước trong vòng lặp hở

Hình 2.23 Mô hình động cơ bước trong hệ thống vòng kín

Hình 2.24 Đáp ứng và vị trí thực tế

Hình 3.1 Mô hình hệ thống sản xuất CIM của hãng Seiki – Nhật Bản

Hình 3.2 Mô hình hệ thống khoan phay tự động

Hình 3.3 Các bộ phận cơ bản của Rôbôt

Hình 3.4 Hình minh hoạ không gian làm việc của rôbốt

Hình 3.5 Sơ đồ của mô hình rôbôt

Hình 3.5 Sơ đồ của mô hình rôbôt

Hình 3.7 Kết cấu của rôbôt

Hình 3.8 Tay gắp rôbôt

Hình 3.9 Hệ trục tọa độ trong máy CNC

Hình 3.10 Điều khiển điểm – điểm

Hình 3.11 Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm-điểm

Hình 3.12 Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b)

Hình 3.13 Vùng gia công của máy

Hình 3.14 Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC

Hình 3.15.Vít mebi HIWIN

Hình 3.16 Sơ đồ động của chuyển động chạy dao

Hình 3.17 Máy khoan cần tay Makita

Hình 3.18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 3.19 Mạch điều khiển trung tâm

Hình 3.20 Khối nguồn cung cấp cho vi điều khiển

Hình 3.21 Mạch kết nối sensor hồng ngoại

Hình 3.22 Mạch điều khiển động cơ bước

Hình 3.23 Sơ đồ khối của chương trình điều khiển hệ thống

Hình 3.24 Lưu đồ thuật toán của chương trình tính toán góc quay của động cơtruyền động máy CNC

Hình 3.25 Lưu đồ thuật toán của chương trình trên vi xử lý máy CNC

Hình 3.26: Giao diện cài đặt

Hình 3.27: Giao diện cài đặt (tiếp theo)

Hình 3.28: Giao diện cài đặt (tiếp theo)

Hình 3.29: Giao diện lập trình

Hình 3.30: Giao diện tạo file mới

Hình 3.31: Giao diện thiết lập các cổng vào ra

Hình 3.32: Giao diện khởi động của VB

Hình 3.33: Giao diện tạo project mới

Hình 3.34: Cửa sổ làm việc của VB

Hình 3.35: Giao diện thiết lập thuộc tính của VB

Hình 3.36: Cài đặt khối truyền thông RS-232

Hình 3.37: Thư viện khối truyền thông

Hình 3.38: Tạo khối truyền thông trên màn hình điều khiển

Hình 3.39: Giao diện thiết lập truyền thông

Hình 3.40: Cửa sổ lập trình

Hình 3.41: Thiết lập ban đầu cho khối truyền thông

Hình 3.42: Chạy thử chương trình

Hình 3.43 Giao diện chính của phần mềm điều khiển hệ thống CIM

Hình 3.44 Cửa sổ thiết kế chương trình gia công

Hình 3.45 Đường ăn dao mô phỏng

Hình 3.46 Lựa chọn các thông số khởi động hệ thống

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài.

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Một yêu cầu đặt ravới các doanh nghiệp là phải đầu tư trang thiết bị hiện đại mang tính linh hoạt, tính

tự động hóa cao nhằm không ngừng nâng cao năng suất lao động Việc nghiên cứu

và ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến, hiện đại của đội ngũ cán bộ khoahọc nước ta vào việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo một hệ thống sản xuất tự động,linh hoạt FMS hay hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM(Computer Integated Manufacturing ) áp dụng vào thực tế sản xuất và phục vụ đàotạo rất cần thiết Song những nghiên cứu về FMS và CIM của chúng ta mới chỉ bắtđầu và chỉ tập trung chủ yếu về phần lý thuyết cơ bản

Ngày nay những ứng dụng của vi điều khiển, vi xử lý đã đi sâu vào đời sốngsinh hoạt của con người Thực tế hầu hết từ các thiết bị điện dân dụng đến các hệthống sản xuất trong công nghiệp thì vi điều khiển, vi xử lý đều đóng vai trò như là

bộ não của các thiết bị và hệ thống đó Điển hình trong số đó có thể nói đến vi điềukhiển AVR Hiện nay vi điều khiển AVR đang được sử dụng rất rộng rãi cả ở trongnước và ngoài nước Việc nghiên cứu ứng dụng vi xử lý vào điều khiển và giám sát

hệ thống sản xuất linh hoạt là rất cần thiết trong nền sản xuất hiện tại cũng như sựphát triển trong tương lai

Xuất phát từ những yêu cầu đó tác giả luận văn đã đề xuất lựa chọn đề tài

nghiên cứu với nội dung: “Xây dựng mô hình CIM cho dây chuyền sản xuất linh

hoạt” Với mục tiêu ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật về vi xử lý để thiết kế,

chế tạo mô hình và xây dựng hệ thống bài thực hành, thí nghiệm

2 Lịch sử nghiên cứu.

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.

a Mục đích.

- Nghiên cứu cấu trúc, phương pháp lập trình, xây dựng hệ thống

điều khiển tự động trên nền vi điều khiển AVR - ATMEGA 128 Phát triển lý

thuyết, ứng dụng để điều khiển động cơ bước trong mô hình CIM (Computer Integrated Manufacturing).

- Xây dựng thuật toán điều khiển, thiết kế giao diện chương trình điều khiển và xây dựng mô hình phần cứng.

- Xây dựng một số bài thực hành, thí nghiệm phù hợp với mô hình

b Đối tượng nghiên cứu.

- Mô hình CIM

- Hệ thống bài thực hành, thí nghiệm

c Phạm vi nghiên cứu.

4 Các luận điểm cơ bản của luận văn.

Đề tài “Xây dựng mô hình CIM cho dây chuyền sản xuất linh hoạt” thiết

kế, chế tạo mô hình hệ thống bao gồm: Mô hình máy phay CNC, Rôbôt côngnghiệp thực hiện các chức năng tự động cấp phôi, Máy tính chủ được kết nối bằngcổng COM điều khiển và quản lý toàn bộ hệ thống thông qua chương trình điềukhiển, băng tải cấp phôi và vận chuyển chi tiết, hệ thống cấp phôi tự động và đồ gá

tự động Khi khởi động hệ thống phần mềm sẽ nhận dữ liệu của chương trình giacông, sau đó truyền kết quả tính toán xuống bộ điều khiển qua cổng COM của máytính, đồng thời phần mềm cũng nhận dữ liệu từ mạch điều khiển thông qua cổngCOM, quá trình truyền nhận này diễn ra liên tục trong suốt quá trình làm việc của

hệ thống Rôbôt công nghiệp được thiết kế theo kiểu ARM bao gồm 4 khâu độngđược liên kết với nhau bằng các khớp quay có ưu điểm vùng làm việc của Rôbôtkhá lớn, di chuyển rất linh hoạt, được ứng dụng nhiều trong sản xuất

5 Phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu.

- Phương pháp thực nghiệm.

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AVR 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN AVR.

AVR là các vi điều khiển 8 bit RISC (Reduced Instruction Set Computer) cócấu trúc Harvard được phát triển bởi Atmel năm 1996 AVR là một trong những họ

vi điều khiển đầu tiên dùng bộ nhớ flash tích hợp trên chip để chứa chương trình,khác với ROM (chỉ có thể lập trình một lần),EPROM, hay EEPROM được dùngcho các họ vi điều khiển khác cùng thời điểm đó

Hình1.1 Atmel AVR ATmega8 PDIP.

Ban đầu AVR MCU (Micro Controller Unit) được phát triển tại một phòngASIC (Application Specific IC) ở Trondheim Nauy, đó là nơi mà 2 người sáng lậpcủa Atmel Nauy làm việc như là sinh viên Và nó được biết đến với tên µRISC(Micro RISC) Khi công nghệ này được bán cho Atmel, cấu trúc bên trong AVRđược phát triển xa hơn bởi Alf và Vegard tại Atmel Nauy, một công ty con củaAtmel được thành lập bởi 2 thành viên trên

AVR là viết tắt của Advanced Virtual RISC, nhưng cũng có thể là viết tắtcho 2 người sáng lập: Alf and Vegard [RISC], nhưng Atmel nói rằng AVR chẳng làviết tắt của bất cứ cái gì cả

Một sản phẩm đầu tiên của AVR là AT90S8515, cũng có đóng gói DIP 40chân giống như 8051 vậy, nó bao gồm phức hợp địa chỉ các thành phần bên ngoài

và data bus Điều khác biệt là chân RESET (8051 RESET tích cực mức cao, AVRlại tích cực mức thấp), ngoại trừ điểm này các ngõ ra đều giống nhau

Họ vi điều khiển AVR của Atmel Corp là 1 bước phát triển trên nền của Vi điềukhiển AT89 đã khá quen thuộc Nếu như AT89 là vi điều khiển có CPU CISC thì

AVR là RISC, với kiến trúc Harvard do vậy tốc độ sẽ nhanh hơn (tốc độ tối đa là 16triệu lệnh/giây) Ngoài ra AVR cũng tích hợp sẵn ngay trong chip mạch ADC,PWM, cũng như hỗ trợ các chuẩn giao tiếp thông dụng như UART/USART, I2C,2-wires, nên việc thiết kế và thực hiện phần cứng cho những ứng dụng rất thuậntiện, nhanh chóng, nhỏ gọn

Về ngôn ngữ lập trình cho AVR thì có rất nhiều: assembly, C, Basic,Pascal Trong đó những phần mềm miễn phí do chính Atmel cung cấp, hay nhữnghãng khác là rất nhiều: avrasm, winasm (hợp ngữ), CodeVisionAVR, Win-GCC(ngôn ngữ C), BASCOM (ngôn ngữ Basic).v.v

Hơn thế việc mô phỏng, debug cũng được hỗ trợ các từ A-Z, nhiều phầnmềm simulator, emulator như: AVRStudio (miễn phí của Atmel), Proteus,

AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny

13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòngAVR (chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loạitrung bình và mạnh hơn là dòng Mega ( như ATmega32, ATmega128,…) với bộnhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạngđược tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCDAVR ) Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau

cơ bản giữa các dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC.

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước.

Hiện nay, trên thế giới tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ đã áp dụng và

sử dụng thành công hệ thống hệ thống sản xuất linh hoạt nhằm giảm sức lao động

và nâng cao năng suất lao động Trong nền sản xuất hiện đại, việc xây dựng các hệthống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng Hệ thống sản xuất linhhoạt cho phép tự động hóa ở mức độ cao với sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa trên cơ

sở sử dụng các máy CNC, Rôbôt công nghiệp để điều khiển các đối tượng lao động.Đặc điểm của hệ thống sản xuât linh hoạt là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị,dụng cụ để chế tạo sản phẩm Như vậy nó không những thích hợp

cho sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn mà còn thích hợp cho sản xuất hàng loạt vừa

và nhỏ Chính vì vậy mà ngày nay các hệ thống sản xuất linh hoạt được áp dụngrộng rãi trong các nhà máy xí nghiệp

Ngày nay, các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và sản xuất tích hợp có sựtrợ giúp của máy tính (CIM) đã được sử dụng rộng rãi và phát triển ở trình độ cao,đang tạo ra một lực lượng sản xuất mới và tạo ra một yếu tố chiến lược cạnh tranh

về kinh tế và quốc phòng giữa các nước

Trong hệ thống sản xuất linh hoạt đã sử dụng một số dòng chip như dòngchip 8051 Đã có nhiều tài liệu nói về dòng chip này nhưng do nó có một số tồn tạinên hiện nay ít được sử dụng Vào năm 1996, vi điều khiển AVR do hãng Atmel(Hoa Kỳ) sản xuất là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới với những tính năngrất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC (ReduceInstructions set Computer) AVR là dòng chip đầu tiên trong thế hệ chip sử dụng bộnhớ Flash để lưu trữ chương trình thay vì sử dụng các bộ nhớ Programmable ROM,EPROM hay EEPROM được sử dụng trong các thế hệ chip trước đó Chính vì vậy

mà ngày nay AVR được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như một số thiết

bị gia dụng

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước.

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, một yêu cầu đặt ravới các doanh nghiệp là phải đầu tư các trang thiết bị hiện đại mang tính linh hoạt,tính tự động hóa cao nhằm không ngừng nâng cao năng suất lao động Trong nhữngnăm vừa qua, ở nước ta đã có một số khu công nghiệp đưa hệ thống sản xuất linhhoạt vào sản xuất như Công ty Honda Việt Nam, Toyota Việt Nam

Để sử dụng và tiến tới làm chủ được hệ thống sản xuất linh hoạt đòi hỏi các

kỹ thuật viên, kỹ sư phải có kiến thức sau rộng về các hệ thống đó Chính vì vậy màhiện nay trong nước đã có một số trường Đại học và Cao đẳng đã đưa môn học

“Sản xuất linh hoạt FMS & tích hợp CIM” và môn học “ Kỹ thuật vi xử lý” vàochương trình tạo ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Cơ điện tử Với trình độ khoa học

kỹ thuật hiện nay của nước ta việc chế tạo một hệ thống sản xuất tự động, linhi hoạt

FMS hay hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM áp dụng vàothực tế sản xuất là rất cần thiết song những nghiên cứu về FMS và CIM của chúng

ta mới chỉ bắt đầu và chỉ tập trung chủ yếu về phần lý thuyết cơ bản Tài liệu về lĩnhvực này bằng tiến việt gần như chưa có và nếu có thì hầu như đều được dịch từ cáctài liệu nước ngoài

Trong các dây chuyền sản xuất tiên tiến, vi xử lý được sử dụng rất rộng rãi, trong đó dòng vi xử lý 8051 có ưu điểm là tài liệu chính thống bằngtiếng Việt rất nhiều, xong còn một số nhược điểm khi sử dụng như: Độ ổn địnhthấp, tính linh hoạt lập trình không cao vì vậy vi xử lý này ít được sử dụng trongthực tế

Vi xử lý AVR du nhập vào Việt Nam vào khoảng đầu năm 2000, tuy thờigian có mặt tại Việt Nam chưa lâu nhưng do có nhiều ưu điểm nổi bật so với vi xử

lý 8051 nên hiện nay AVR đang được sử dụng rất rộng rãi!

1.3 ĐẶC ĐIỂM, TÍNH NĂNG CỦA AVR.

1.3.1 Đặc điểm.

AVR là loại vi điều khiển 8 bit với tốc độ xử lý nhanh và tiêu thụ năng lượng thấp.AVR có cấu trúc RISC với:

 131 lệnh, hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ xung nhịp

 32 x 8 thanh ghi đa dụng

 Full static operation

 Tốc độ làm việc 16MPIS, với thạch anh 16 MHz

Bộ nhớ:

 ISP Flash với khả năng 10.000 lần ghi xóa

 4K Bytes EEPROM

 4K Bytes bộ nhớ SRAM bên trong

Giao tiếp JTAG :

 Khả năng quét toàn diện theo chuẩn JTAG

 Hỗ trợ khả năng Debug onchip

 Hỗ trợ lập trình Flash, EEROM, fuse…

 Lock bit qua giao tiếp JTAG

Ngoại vi :

 Timer/ counter 8 bit với các chế độ : so sánh và chia tần số

 Timer/counter 16 bit với các chế độ : so sánh, chia tần số, capture, PWM

 Timer thời gian thực (Real time Clock) với bộ dao động riêng biệt

 Các kênh PWM

 Kênh biến đổi ADC 10 bit

 Hỗ trợ giao tiếp I2C

 Bộ giao tiếp nối tiếp lập trình được USART

 Giao tiếp SPI

Watch_dog timer với bộ dao động on_chip riêng biệt

Những thuộc tính đặc biệt :

 Power on reset và Brown-out detection

 Chế độ hiệu chỉnh bộ sai số cho bộ dao động RC on chip

 Các chế độ ngắt ngoài và trong đa dạng

 6 chế độ chờ: Idle nghỉ, ADC giảm ồn, Power – saver tiết kiệm điện, ngắtđiện, chế độ chờ, chế độ chờ mở rộng

Các phần mềm lập trình cho AVR :

 AVRStudio, Code Vision Các phần mềm này có hỗ trợ phần nạp và Debug on chip

 Ngoài ra có thể dùng chương trình nạp PonyProg2000, Winpic800 …

1.3.2 Tính năng.

AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rấtmạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mớiđáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051, 89XX sẽ có độ ổn định hơn, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi

Tính năng của họ AVR:

 Giao diện SPI đồng bộ

 Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

 Giao tiếp I2C

 Bộ biến đổi ADC 10 bit

 Các kênh băm xung PWM

 Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, standby

 Tần số tối đa 16MHz

1.4 CẤU TRÚC BỘ NHỚ VÀ CỔNG VÀO – RA.

1.4.1 Cấu trúc bộ nhớ.

AVR có cấu trúc Harvard, trong đó đường truyền cho bộ nhớ dữ liệu (datamemory bus) và đường truyền cho bộ nhớ chương trình (program memory bus)được tách riêng Data memory bus chỉ có 8 bit và được kết nối với hầu hết các thiết

bị ngoại vi, với register file Trong khi đó program memory bus có độ rộng 16 bits

và chỉ phục vụ cho Instruction registers

Hình1.2 Cấu trúc bộ nhớ AVR ATmega128

* Bộ nhớ chương trình (Program memory): Là bộ nhớ Flash lập trình

được, trong các chip AVR cũ (như AT90S1200 hay AT90S2313…) bộ nhớ chươngtrình chỉ gồm 1 phần là Application Flash Section nhưng trong các chip AVR mớichúng có thêm phần Boot Flash section Các vector ngắt nằm ở phần đầu củaApplication section và dài đến bao nhiêu tùy thuộc vào loại chip Phần chứaInstruction nằm liền sau đó, chương trình viết cho chip phải được load vào phầnnày

* Bộ nhớ dữ liệu (data memory): Đây là phần chứa các thanh ghi quan

trọng nhất của chip, việc lập trình cho chip phần lớn là truy cập bộ nhớ này Bộ nhớ

dữ liệu trên các chip AVR có độ lớn khác nhau tùy theo mỗi chip, tuy nhiên về cơbản phần bộ nhớ này được chia thành 5 phần:

- Phần 1: Là phần đầu tiên trong bộ nhớ dữ liệu Phần này bao gồm 32 thanh ghi có

tên gọi là register file (RF), hay General Purpose Rgegister – GPR, hoặc đơn giản làcác Thanh ghi Tất cả các thanh ghi này đều là các thanh ghi 8 bits như trong hình1.3

Hình 1.3 Thanh ghi 8 bits.

Tất cả các chip trong họ AVR đều bao gồm 32 thanh ghi Register File có địachỉ tuyệt đối từ 0x0000 đến 0x001F Mỗi thanh ghi có thể chứa giá trị dương từ 0đến 255 hoặc các giá trị có dấu từ -128 đến 127 hoặc mã ASCII của một ký tự nàođó…Các thanh ghi này được đặt tên theo thứ tự là R0 đến R31 Chúng được chiathành 2 phần, phần 1 bao gồm các thanh ghi từ R0 đến R15 và phần 2 là các thanhghi R16 đến R31

- Phần 2: Là phần nằm ngay sau register file, phần này bao gồm 64 thanh ghi được

gọi là 64 thanh ghi nhập/xuất (64 I/O register) hay còn gọi là vùng nhớ I/O (I/OMemory) Vùng nhớ I/O là cửa ngõ giao tiếp giữa CPU và thiết bị ngoại vi Tất cảcác thanh ghi điều khiển, trạng thái…của thiết bị ngoại vi đều nằm ở đây Nếumuốn truy xuất các thiết bị ngoại vi khác như Timer, chuyển đổi Analog/Digital,giao tiếp USART…đều thực hiện thông qua việc điều khiển các thanh ghi trongvùng nhớ này

- Phần 3: RAM tĩnh, nội (internal SRAM), là vùng không gian cho chứa các biến

(tạm thời hoặc toàn cục) trong lúc thực thi chương trình, vùng này tương tự cácthanh RAM trong máy tính nhưng có dung lượng khá nhỏ (khoảng vài KB, tùythuộc vào loại chip)

- Phần 4: RAM ngoại (external SRAM), các chip AVR cho phép người sử dụng

gắn thêm các bộ nhớ ngoài để chứa biến, vùng này thực chất chỉ tồn tại khi nàongười sử dụng gắn thêm bộ nhớ ngoài vào chip

- Phần 5: EEPROM (Electrically Ereasable Programmable ROM) là một phần quan

trọng của các chip AVR mới, vì là ROM nên bộ nhớ này không bị xóa ngay cả khikhông cung cấp nguồn nuôi cho chip, rất thích hợp cho các ứng dụng lưu trữ dữliệu

Để điều khiển vào ra dữ liệu với EEPROM người ta sử dụng 3 thanh ghi: Thanhghi EEAR, thanh ghi EEDR và thanh ghi EECR,

AVR có ưu điểm là hầu hết các Instruction đều được thực thi trong 1 chu kỳ

xung clock, vì vậy có thể nguồn clock lớn nhất cho AVR có thể nhỏ hơn 1 số viđiều khiển khác như PIC nhưng thời gian thực thi vẫn nhanh hơn

ATmega128 có tất cả 64 chân bao gồm 7 cổng (port) vào ra 8 bit là : PortA, PortB,PortC, PortD, PortE, PortF, PortG , tương ứng với 56 đường vào ra và 8 chân cònlại RESET, XTAL1, XTAL2, AVCC, AREF, PEN và 2 chân GND.

Hình1.4 Sơ đồ chân ATMEGA128

Địa chỉ của tất cả các port:

Chức năng các Port của AVR:

- Port A : Dùng để mở rộng bộ nhớ Ram ngoài Bảng sau mô ta chức năng của cácchân ở Port A:

PA7 AD7 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 7)

PA6 AD6 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 6)

PA5 AD5 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 5)

PA4 AD4 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 4)

PA3 AD3 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 3)

PA2 AD2 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 2)

PA1 AD1 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 1)

PA0 AD0(mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 0)

- Port B : Chức năng các chân của port B được trình bày dưới bảng:

Pin Chức năng của các chân

PB7

OC2/OC1C (đầu ra so sánh và đầu ra của PWM cho timer/counter2 hoặc đầu ra so sánh và PWM C của timer/counter1

PB6 OCB1 (đầu ra so sánh và PWM B của timer/counter1)

PB5 OC1A (đầu ra so sánh và PWM A của timer/counter1)

PB4 OCO ( đầu ra so sánh và PWM của timer/counter0

PB3 MISO (bus giao tiếp SPI vào master hoặc ra slave)

PB2 MOSI ( bus giao tiếp SPI vào slave hoặc ra master)

PB1 SCK (quy định tốc độ đông hồ khi giao tiếp)

PB0 SS (chọn SPI là slave hay master)

- Port C :

PC7 AD15 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 15)

PC6 AD14 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 14)

PC5 AD13 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 13)

PC4 AD12 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 12)

PC3 AD11 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 11)

PC2 AD10 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 10)

PC1 AD9 (mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 9)

PC0 AD8(mở rộng bộ nhớ ngoài với bit dữ liệu là bit 8)

- Port D:

PD7 T2 (đầu vào bộ đếm timer/counter2)

PD6 T1 (đầu vào bộ đếm timer/counter1)

PD5 XCK1 (dùng khi giao tiếp USART1 cần dùng bộ dao động

riêng)

PD3 INT3/TXD1 (Ngắt mở rộng hoặc chân truyền tín hiệu của

UART1)PD2 INT2/RXD1 (Ngắt mở rộng hoặc nhận tín hiệu của UART1)PD1 INT1/SDA (Ngắt mở rộng hoặc chân địa chỉ của giao tiếp I2C)PD0 INT0/SCL (Ngắt mở rộng hoặc chân địa dao động của giao tiếp

I2C)

- Port E :

PE7 INT7/ICP3 (ngắt ngoài hoặc đầu vào Capture của

timer/counter3)PE6 INT6/T3 (ngắt ngoài hoặc đầu vào timer/counter3)

PE5 INT5/OC3C (ngắt ngoài hoặc đầu ra PWM C của

timer/counter3)PE4 INT4/OC3B ( ngắt ngoài hoặc đầu ra PWM của timer/counter3)PE3 AIN1/OC3A (đầu vào so sánh tương tự âm và đầu ra PWM A

của timer/counter3)PE2 AINO/XCKO (đầu vào so sánh tương tự dương

PE1 PDO/TXD0 ( chân truyền dữ liệu của UART0)

PE0 PDI/RXD0 (chân nhận dữ liệu của UART0)

- Port F :

PF7 ADC7/TDI (đầu vào ADC kênh 7 hoặc kiểm tra dữ liệu đầu vào

của JTAG)PF6 ADC6/TDO (đầu vào ADC kênh 6 hoặc kiểm tra dữ liệu đầu ra

của JTAG)PF5 ADC5/TMS (đầu vào ADC kênh 5 hoặc chọn chế độ cho

JTAG)PF4 ADC4/TCK ( đầu vào ADC kênh 4 hoặc kiểm tra dao động của

JTAG)PF3 ADC3 (đầu vào ADC kênh 3)

PF2 ADC2 (đầu vào ADC kênh 2)

PF1 ADC1 (đầu vào ADC kênh 1)

PF0 ADC0 (đầu vào ADC kênh 0)

- Port G : Ngoài chức năng vào ra thông thường, Port G còn có thêm chức năng mởrộng bộ nhớ ngoài chân ở Port G

PG4 TOSC1 (tạo xung dao động riêng cho bộ timer/counter0)

PG3 TOSC2 (tạo xung dao động riêng cho bộ timer/counter0)

PG2 ALE ( chân cho phép chốt địa chỉ với bộ nhớ mở rộng)

PG1 RD ( chân cho phép đọc với bộ nhớ ngoài)

PG0 WR _ ( chân cho phép ghi với bộ nhớ ngoài)

Khi khảo sát các cổng như là các cổng vào ra số thông thường thì tính chấtcủa các cổng ( PortA, PortB,…PortG ) là tương tự nhau, nên ta chỉ cần khảo sát mộtcổng nào đó trong số 7 cổng của vi điều khiển là đủ Mỗi một cổng vào ra của viđiều khiển được liên kết với 3 thanh ghi: PORTx, DDRx, PINx ( x là để thay thếcho A, B,…G ) Ba thanh ghi này sẽ được phối hợp với nhau để điều khiển hoạt động của cổng

 Thanh Ghi PORTX:

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx.Nếu thanh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTxcũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx còn khi thanh ghi DDRx thiếtlập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điềukhiển cổng

 Thanh Ghi DDRX: là thanh ghi 8 bit ( có thể đọc ghi ) có chức năng điều

khiển hướng của cổng (là lối ra hay lối vào)

Khi một bit của thanh ghi này dược set lên một thì chân tương ứng với nó được cấuhình thành ngõ ra

Ngược lại, nếu bit của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng với nó được thiếtlập thành ngõ vào

 Thanh ghi PINX:

PINX không phải là một thanh ghi thực sự, đây là địa chỉ trong bộ nhớ I/Okết nối trực tiếp tới các chân của cổng Khi ta đọc PORTx tức ta đọc dữ liệu đượcchốt trong PORTx, còn khi đọc PINx thì giá trị logic hiện thời ở chân của cổngtương ứng được đọc Vì thế đối với thanh ghi PINx ta chỉ có thể đọc mà không thểghi

1.5 BỘ ĐỊNH THỜI CỦA ATMEGA 128

1.5.1 Bộ định thời 1&3

Bộ định thời 1 và 3 là bộ định thời 16 bit, bộ định thời 1 sử dụng 13 thanhghi liên quan, còn bộ định thời 3 sử dụng 11 thanh ghi liên quan với nhiều chế

độ thực thi khác nhau Vì bộ định thời 1 và 3 hoạt động giống nhau nên ở đây chỉtrình bày bộ định thời 1 Một điểm cần để ý là trong các thanh ghi liên quan tới

bộ định thời 1 và 3 thì có nhiều thanh ghi được chia sẽ cho cả hai bộ định thời,chẳn hạn thanh ghi ETIPR có bít cuối là OCF1C được dùng cho bộ định thời

1, các bit còn lại là dùng cho bộ định thời 3 Thậm chí có những thanh ghichia sẽ cho bộ định thời 0 hoặc 2, chẳng hạn thanh ghi TIMSK có hai bit cuốidùng cho bộ định thời 2, hai bit đầu dùng cho bộ định thời 0, các bit còn lại dùngcho bộ định thời 1

BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0000h MAX

Bộ đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng FFFFh

TOP: Bộ đếm đạt giá trị TOP khi nó bằng với giá trị cao nhất trong chuỗi

đếm, giá trị cao nhất trong chuỗi đếm không nhất thiết là FFFFh mà có thể là bấtkhì giá trị nào được qui định trong thanh ghi OCRnX (X=A,B,C) hay ICRn, tùytheo chế độ thực thi

1.5.2 Bộ định thời 0 & 2

Bộ định thời 0 v à 2 là bộ định thời 8 bit, bộ định thời 0 liên quan tới 7thanh ghi vớinhiều chế độ thực thi khác nhau

BOTTOM Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0h MAX Bộ

đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng FFh

TOP Bộ đếm đạt giá trị TOP khi nó bằng với giá trị cao nhất trong chuỗi

đếm, giá trị cao nhất trong chuỗi đếm không nhất thiết là FFh mà có thể là bấtkhì giá trị nào được qui định trong thanh ghi OCRn (n=0,2), tùy theo chế độ thựcthi

Đặc điểm của bộ định thời 0: Bộ đếm đơn kênh, xóa bộ định thời khi có sự

kiện so sánh khớp (compare match) và tự nạp lại, có thể đếm từ bộ dao động

32KHz bên ngoài, chế độ PWM hiệu chỉnh pha,…

Đặc điểm của bộ định thời 2: L à bộ định thời 8 bit, liên quan tới 5 thanh

ghi với nhiều chế độ thực thi khác nhau Các thuộc tính chính của bộ định thờigồm: Bộ đếm đơn kênh, xóa bộ định thời khi có sự kiện “so sánh khớp” và tựđộng nạp lại, PWM hiệu chỉnh pha, đếm sự kiện bên ngoài…

1.6 CẤU TRÚC NGẮT CỦA ATMEGA 128.

Ngắt là một cơ cấu điều khiển dòng lệnh, cơ cấu này được thiết kế trên hầuhết các bộ điều khiển Trong quá trình giao tiếp của hệ thống bộ xử lý với thế giớibên ngoài, nhiều sự việc xảy ra theo cách không đồng bộ, chẳng hạn người dùng cóthể đã nhấn một công tắc để thực hiện một công việc nào đó, trong khi một byte dữliệu có thể đã đến cổng nối tiếp Điều này gây khó khăn cho hoạt động của bộ xử lýkhi mà nó phải kiểm tra tất cả các thiết bị để giám sát sự di chuyển của dữ liệu.Ngược lại mọi việc sẽ trở nên tốt hơn nếu các thiết bị này có thể loan báo sự đến nơicủa dữ liệu Đây là tất cả những gì mà cơ chế ngắt phải thực hiện Chương trìnhngắt chỉ đơ giản giống hệt như một chương trình con (subrountine), ngoại trừ mộtđặc điểm là việc thực thi của đoạn chương trình ngắt này không bị bộ xử lý đoántrước là sẽ xuất hiện ở một thời điểm cụ thể nào Các loại ngắt thường dùng:

a )Ngắt (USART)

Đối với một loại vi điều khiển sẽ có nhiều vectơ ngắt để phục vụ cho chươngtrình như vectơ ngắt ngoài, ngắt nối tiếp, ngắt định thời Sau đây là các nguyênnhân gây ngắt của AVR

 Reset : Chân ngoài, Preset, Brown-out reset và Watchdog reset

 INT0 : Ngắt ngoài yêu cầu 0

 INT1 : Ngắt ngoài yêu cầu 1

 Timer1 CAPT : Ngắt do sự kiện Đếm/Định thời 1

 Timer1 COMPA : Ngắt do đạt giá trị so sánh A Đếm/Định thời 1

 Timer1 COMPB : Ngắt do đạt giá trị so sánh B Đếm/Định thời 1

 Timer1 OVF: Ngắt do tràn bộĐếm/Định thời 1

 Timer0 OVF: Ngắt do tràn bộĐếm/Định thời 0

 USART, UDRE : Thanh ghi dữ liệu nối tiếp rỗng

 INT2 : Yêu cầu ngắt ngoài 2

 TIMER0 COMP : Đạt giá trị đếm bộ Đếm/Định thời 0

b )Giao tiếp nối tiếp

 Bộ truyền nhận đồng bộ và không đồng bộ nối tiếp (USART) là mộtthiết bị giao tiếp nối tiếp có tính tương thích cao

c )Bộ đếm/định thời

TIMER/COUNTER0 là một module đếm/định thời 8-bits, đơn kênh, đa mụcđích với các tính chất sau:

 Xóa timer khi đạt được giá trị so sánh (Tự động nạp lại)

 Xung tự do được tự động chữa bởi bộ điều chế độ rộng chuỗi xung(PWM)

 Tạo tần số

 Đếm sự kiện bên ngoài

 Cung cấp ngắt khi đạt được giá trị so sánh (T0V0 và 0CF0)

 Cho phép tạo xung mở rộng từ bộ dao động thạch anh ngoài 32 kHz

d ) Bộ đếm/định thời

 TIMER/COUNTER1 là bộ Đếm/định thời 16-bit thiết kế để cho phép

chương trình định thời một cách chính xác (quản lý sự kiện), tạo sóng và đếm tínhiệu thời gian

1.6.1 Thứ tự ưu tiên ngắt.

Thứ tự ưu tiên các ngắt của vi điều khiển AVR tuân theo quy tắc: “Mộtvec tơ ngắt có địa chỉ thấp hơn trong bộ nhớ chương trình có mức độ ưu tiên caohơn ” Chẳng hạn ngắt ngoài 0 ( INT0 ) có mức độ ưu tiên cao hơn ngắt ngoài 1(INT1)

Để cho phép một ngắt người dùng cần cho phép ngắt toàn cục (set bit I trong thanhghi SREG) và các bit điều khiển ngắt tương ứng Khi một ngắt xảy ra và đangđược phục vụ thì bit I trong thanh ghi SREG bị xóa, như thế khi có một ngắt khácxảy ra nó sẽ không được phục vụ, do đó để cho phép các ngắt trong khi một ISR(interrupt service routine) khác đang thực thi, thì trong chương trình ISR phải cólệnh SEI để set lại bit I trong SREG

Hình 1.5 Thanh ghi EICRA

Hình 1.6 Thanh ghi EICRB

1.7 CÁC BỘ PHẬN NGOẠI VI.

1.7.1 Bộ so sánh tương tự.

Hình 1.7 Sơ đồ khối bộ so sánh tương tự

Bộ so sánh có hai ngõ vào tương tự là AIN0 và AIN1 và một ngõ ra sốACO Nguyên tắc hoạt động của bộ so sánh tương tự là: Khi ngõ vào AIN0 cóđiện thế cao hơn ngõ vào AIN1 thì ngõ ra ACO sẽ ở mức cao (tương ứng với logic1), ngược lại khi ngõ vào AIN0 có điện thế thấp hơn ngõ vào AIN1 thì ngõ ra ACO

sẽ ở mức thấp (tương ứng với logic 0) Thường thì trong hai ngõ vào, có một ngõ

vào có điện thế được giữ cố định để dùng làm điện thế tham chiếu (VRef), điệnthế ngõ còn lại có thể thay đổi để tham chiếu với ngõ vào VRef Trạng thái củangõ ra ACO của bộ so sánh có thể được dùng để tạo ra một ngắt, kết nối tới bộđịnh thời 1 để sử dụng chức năng input capture của bộ định thời này

1.7.2 Bộ truyền nhận dữ liệu USART

Hình 1.8 Sơ đồ khối bộ USART

Sơ đồ khối của bộ USART phân chia thành ba phần rõ ràng: Khối tạo xung clock (clock Generator), Khối Truyền (Transmitter) và Khối nhận (Receiver) Còn các thanh ghi điều khiển USART được dùng chung

USART ( Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver andTransmitter): Bộ Truyền Nhận Nối Tiếp Đồng Bộ Và Bất Đồng Bộ Phổ Dụng, đây

là khối chức năng dùng cho việc truyền thông giữa vi điều khiển với các thiết bịkhác Trong vấn đề truyền dữ liệu số, có thể phân chia cách thức (method)truyền dữ liệu ra hai chế độ (mode) cơ bản là : Chế độ truyền nhận Đồng bộ(Synchronous) và Chế độ truyền nhận Bất đồng bộ (Asynchronous) Ngoài ra, nếu

ở góc độ phần cứng thì có thể phân chia theo cách khác đó là: Truyền nhận dữ liệutheo kiểu Nối tiếp (serial) và song song (paralell)

1.7.3 Bộ chuyển đổi ADC.

Bộ biến đổi ADC có chức năng biến đổi tín hiệu tương tự (analog signal)

có giá trị thay đổi trong một dải biết trước thành tín hiệu số (digitalsignal) Bộ ADC của ATmega128 có độ phân giải 10 bit, sai số tuyệt đối ± 2LSB, dải tín hiệu ngõ vào từ 0v – VCC, tín hiệu ngõ vào có nhiều lựa chọnnhư: có 8 ngõ vào đa hợp đơn hướng (Multiplexed Single Ended), 7 ngõvào vi sai (Differential Input),… Bộ ADC của ATmega128 là loại ADC xấp xỉliên tiếp (succesive approximation ADC) với hai chế độ hoạt động có thể lựa chọn

là chuyển đổi liên tục (Free Running) và chuyển đổi từng bước (Single Conversion)

Hình 1.9 Sơ đồ của một khối ADC

Nguyên tắc hoạt động của khối ADC: Tín hiệu tương tự đưa vào các ngõ

ADC0:7 được lấy mẫu và biến đổi thành tín hiệu số tương ứng Tín hiệu số đượclưu trong hai thanh ghi ACDH và ADCL Một ngắt có thể được tạo ra khi hoànthành một chu trình biến đổi ADC.

Chương 2: CƠ CẤU CHẤP HÀNH – ĐỘNG CƠ BƯỚC

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dướidạng số Các loại động cơ bước được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống

tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vựcsau: điều khiển robot, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cơ khí, rô bốt,

tự động khoan theo chương trình, điều khiển máy dập giấy… Trong điều khiểnchính xác người ta cần những động cơ có thể đạt được độ chính xác cao theo đúngyêu cầu cả về lực và tốc độ Động cơ bước là một trong những sự lựa chọn tốt đểđáp ứng được những yêu cầu trên với khả năng chuyển động chính xác đến từngbước thậm chí là vi bước Đặc biệt việc điều khiển motor bước được ứng dụng phổbiến trong xí nghiệp, nhà máy phục vụ trong công việc sản xuất hiện nay

2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC.

2.1.1 Khái niệm.

Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ hoạt động dưới tác dụng của cácxung rời rạc và kế tiếp nhau Khi một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vào cuộndây phần ứng của động cơ bước, thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi mộtgóc nhất định, và được gọi là bước của động cơ, khi các xung dòng điện đặt vàocuộn dây phần ứng liên tục thì roto sẽ quay liên tục

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành nhữngchuyển động cơ học rời rạc Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạckhi các xung điện điều khiển được cấp đến nó theo một trình tự hợp lí Sự quay của

các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được cấp vào Trình tự của các xung cấpvào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ Tốc độ quay của trục động

cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trựctiếp với số lượng các xung được cấp vào

Hình 2.1 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 cơbước trước đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm Các động cơ bước ngàynay đã được cải tiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vimáy tính, các robot, các máy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm, các đồng

hồ, các bàn vẽ, các van, các máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, cácmáy bán hàng nhỏ, và các máy quét, …

Hình 2.2 Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.

2.1.2 Phân loại động cơ bước.

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

Dây ra từ động cơ

Dựa theo cấu trúc rôto, 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 2.3 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.

a Động cơ bước từ trở biến thiên.

Các động cơ bước từ trở biến thiên có rôto bằng thép mềm, rôto quay khi cácrăng trên rôto bị hút bởi các răng điện từ trên stator Hoạt động này tương tự nhưhoạt động của cuộn solenoid Các rôto bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loạikhác Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn Tuy nhiên, vì rôto không có từ tínhnên không có lực 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 7,5ohoặc 15o

Hình 2.4 Động cơ bước từ trở.

b Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

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

Hình 2.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

c Động cơ bước lai.

Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rôto của động cơ bước từ trở biếnthiên và động cơ nam châm vĩnh cửu Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọcxung quanh trục động cơ Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ cómột đầu rôto là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam Răng rôto được cắt thànhhai chén lõi thép được gắn chặt trên mỗi đầu Động cơ bước lai chỉ sử dụng phươngpháp cấu tạo thứ hai Các động 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 2.6 Động cơ bước lai

Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước namchâm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8o Độ chính xác của hầu hếtcác động cơ bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chínhxác được cải thiện nhờ vào các góc bước nhỏ hơn

d Động cơ bước lưỡng cực.

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

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

e Động cơ bước đơn cực.

Động cơ bước đơn cực bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối saocho khi một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi

cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra Cách quấn dây kiểunày được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từ mạch lái đến cáccuộn dây không bao giờ bị đảo chiều Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạchđiện tử lái Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểulưỡng cực.

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

2.2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

2.2.1 Cấu tạo động cơ bước.

Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tínhiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quaycủa rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quaycủa rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện

áp đặt vào cuộn dây stato của động cơ bước thì rôto của động cơ sẽ quay đi một gócnhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào cáccuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay liên tục nhưng thực chấtchuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc

Có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay dụng cụ) số ( Digital Device) mà ở

đó các thông tin số hóa đó thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theotừng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tínhyêu cầu

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ:Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng chuyểnmạch.

Hình 2.7 Sơ đồ cấu tạo động cơ bước

Rôto của động cơ bước là một nam châm vĩnh cửu với một cặp cực N – S.Khi các cuộn dây của một trong 2 pha được cấp điện, một lưỡng cực từ được tạo ra

ở bên phía stator Nếu giả sử pha 2 được cấp điện, còn pha 1 không được cấp điện, cuộndây 3 sẽ tạo ra điện cực Nam còn cuộn dây 4 tạo ra điện cực Bắc Hình 1 cho thấy roto ở

vị trí ổn định khi pha 2 được cấp điện

Hình 2.8 Hình mẫu của một động cơ bước trong thực tế

Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống vòng hở đơn giản Những hệthống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tảitrọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển

vòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốccông suất nhỏ.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động.

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộchuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần sốnhất định

Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay

và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Rôto của động cơ bước (không có cuộn dây khởi động) được khởi động bằngphương pháp tần số Rôto của động cơ bước có thể được kích thích (rôto tích cực)hoặc không nhận được kích thích (rôto thụ động )

F

2 F F

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực

và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 2 cực.

Xung điện áp cấp cho m cuộn dây có thể là xung một cực (hình 2.4 a) hoặc xung haicực (hình 2.10b)

Hình 2.10 Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato

a Xung một cực b Xung hai cực

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dâystato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm cuộn dây Trị số và chiềucủa lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rôto trong không gian hoàntoàn

phụ thuộc và phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây

Để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mụmenđồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây Lúc

đó rôto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vectơ lực điện từtổng F Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phầncủa các cuộn dây stato ( hình 2.9 b; hình 2.9 c)

Trên hình 2.9b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một sốchẵn cuộn dây (2 cuộn dây) Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị tríchính giữa hai trục của hai cuộn dây Trên hình 2.9c vẽ lực điện từ tổng F khi cungcấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây) Lực điện từ tổng F nằmtrùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn

Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (sốcuộn dây được cấp điện thay đổi từ chẵn sang lẻ rồi từ lẻ sang chẵn) thì số vị trí cân

bằng của rôto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi bằng

m

π

.Trường hợp này là điều khiển không đối xứng (điều khiển nửa bước - Haft Step).Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi thì rôto có m vị trí cânbằng và được gọi là điều khiển đối xứng (điều khiển cả bước – Full Step)

Tổng quát số bước quay của rôto trong khoảng từ 0 đến 3600 là :

K = m.n1.n2.p

– m : số pha (số cuộn dây điều khiển trên stato)

– p: số đôi cực của rôto

– n1: hệ số; n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng

n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng.

– n2 : hệ số; n2 = 1 điều khiển bằng xung một cực

n2 = 2 điều khiển bằng xung hai cực

Bước quay của rôto trong không gian là α =

K

0360

2.2.3 Cách đấu nối cuộn dây động cơ bước.

Động cơ bước có nhiều loại đầu dây ra thường là:

- Loại 1: 4 dây, 6 dây, 8 dây Những động cơ bước loại này thườngkhông kén driver nên rất dễ dùng

- Loại 2: 5 dây hoặc 10 dây Loại step này là 5 phase nên kén driverTrong giới hạn của luận văn chỉ đề cập tới cách xác định và đấu nối các cuộndây cho step 4, 6 và 8 dây

1 Step motor 4 dây:

Hình 2.11 Step motor 4 dây

2 Step motor 6 dây.

Hình 2.12 Step motor 6 dây.

Dùng đồng hồ vạn năng ta xác định được 2 cặp, mỗi cặp gồm 3 dây, trong 3dây nàt sẽ xác định được chân chung của từng cặp Step motor 6 dây như vậy gọi làmotor đơn cực (unipolar), dạng này thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi momen lớn

ở tốc độ thấp Tuy nhiên hiện tại rất ít driver hỗ trợ dạng 6 dây này, do đó thôngthường người ta bỏ 2 chân chung ta ngoài và dùng 4 chân giống như loại step 4 dây

3 Step motor 8 dây.

Với step motor 8 dây có hai cáh đấu dây:

- Đấu song song: Kiểu đấu như thế này phù hợp với ứng dụng đòi hỏi momen cao ởdải tốc độ lớn cho nên driver cũng cần loại có dòng và áp lớn Kiểu này thường gọi

là lưỡng cực

Hình 2.13 Step motor 8 dây (Đấu song song)

- Đấu nối tiếp: Kiểu này tương với dạng step 6 dây.

Hình 2.14 Step motor 8 dây (Đấu nối tiếp)

2.3 ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH

2.3.1 Đặc tính cơ bản của động cơ bước.

- Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than

- Load Independent (độc lập với tải): Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải ảnhhưởng rất lớn tới chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rôtokhông phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khimomen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt do đó không thể kiểm soát được gócquay

- Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): Thông thường chúng ta có thểđếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp

vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thườngđược sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở …

- Holding Torque (Tạo được moment giữ ): Một vấn đề rất khó trong điều khiển làđiều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được momen tải lớn Động cơ bước là

thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được momen thậm chí cả

vị trí nhờ vào tác dụng hãm lại cuat từ trường rôto

- Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và

đảo chiều quay một cách dễ dàng

2.3.2 Các phương pháp điều chỉnh.

a Phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp băm xung là duy trì dòng điện qua

các cuộn dây động cơ không đổi với mọi cấp tốc độ Để làm được điều này, một

điện trở sun Rs được thêm vào mạch lấy tín hiệu phản hồi dòng điện Dòng điện

phản hồi này được so sánh với dòng đặt Nếu dòng đặt còn lớn hơn dòng trong cuộn

dây thì cho phép các transistor mạch lực dẫn dòng, khi đó dòng trong cuộn dây sẽ

tiếp tục tăng, và ngược lại nếu nhỏ chạy qua động cơ giảm nhỏ hơn dòng đặt, các

transistor ngay lập tức sẽ bị khóa và dòng trong cuộn dây sẽ giảm xuống Phương

pháp băm xung tần số không đổi có cấu trúc cơ bản như trong hình 2.15

J

CLK 1 K

RS

3

2 1

Hình 2.15 Phương pháp băm xung tần số không đổi