Đồ án điều khiển động cơ bước sử dụng mạch tạo xung vuông ne555 và ic 74ls194. Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ bước. Đồ án năm 2, chuyên ngành tự động hóa, khoa Điệnđiện tử.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Đề Tài : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
BƯỚC DÙNG IC SỐ
Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Tiến Dũng
Nhóm thực hiện : Nguyễn Trung Nhất
Hoàng Thị Quỳnh
Lớp : 112152A
HƯNG YÊN,2016
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến của thếgiới, chúng ta đã và đang ngày ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triểncủa kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sựchính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Đó là những yếu tố rất cần thiết góp phần chohoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn Điện
tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được nhữngđòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếucủa con người trong cuộc sống hàng ngày
Ngày nay điều khiển động cơ điện không đơn giản như trước Với thờ đại côngnghiệp hiện đại xuất hiện nhiều bài toán về động cơ điện giải quyết nhiều chức năngphức tạp, để giải quyết vấn đề đó các nhà khoa học đã nghiên cứu ra rất nhiều loạiđộng cơ điện Trong số đó có động cơ bước, là một loại động cơ điện có nguyên lý vàứng dụng khác biệt so với các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là mộtđộng cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu dưới dạng xung rời rạc kế tiếp nhauthành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của roto có khả năng cố định rotovào các vị trí cần thiết
Xuất phát từ những nhu cầu ứng dụng, chúng em đã thiết kế một mạch điều khiển, đó
là “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC DÙNG IC SỐ” Nội
dung báo cáo này gồm 4 Chương:
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Tính toán và thiết kế thi công mạch
Chương 4: Kết luận
Với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiện chưa tích lũy được nhiều nên không tránh khỏi thiếusót Rất mong được sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của thầy giáo ,cô giáo và các bạn để đề tàicủa chúng em được hoàn thiện hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Trung Nhất
Hoàng Thị Quỳnh
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Giáo viênNguyễn Tiến Dũng Hưng yên ngày …tháng…năm …
Trang 4MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3
MỤC LỤC 4
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 6
CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 7
2.1 IC 74194 7
2.2 Mạch tạo xung(IC 555) 11
2.2.1 Nguồn gốc của NE555 11
2.2.2 Thông số 11
2.2.3 Chức năng của NE555 11
2.2.4 Bố trí chân và chức năng của các chân 12
2.2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 12
2.3 PC 817 13
2.4 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 14 2.4.1 Cấu tạo 14
2.4.2 Hoạt động 14
2.4.3 Ứng dụng 14
2.4 4 Phân loại 14
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MẠCH 20
3.1 Xây dựng sơ đồ khối toàn mạch 20
3.2.Thiết kế mạch 20
3.3 Sơ đồ nguyên lí khối nguồn +5v 20
3.4 Sơ đồ nguyên lí khối tạo dao động 22
3.5 Sơ đồ nguyên lí của khối điều khiển 22
3.6 Khối động cơ 23
3.6.1 Nguyên lí hoạt động của khối khuếch đại 23
3.7 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 24
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 26
4.1 Ưu ,nhược điểm của sản phẩm 26
4.2 Kết luận quá trình làm việc 26
4.3 Hướng phát triển 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO 29
Trang 5DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Sơ đồ chân IC 74194
Hình 2.2 Sơ đồ chân IC 74194
Hình 2.3 74195 trong thực tế
Hình 2.4 Sơ đồ chân của IC555
Hình 2.5 Đặc tuyến truyền đạt của PC817
Hình 2.6 Động cơ lại có từ biến trở
Hình 2.7 Động cơ loại nam châm vĩnh cửu
Hình 2.8 Động cơ loại 2 cực
Hình 2.9 Động cơ nhiều pha
Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lí khối nguồn
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lí khối tạo xung
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lí khối điều khiển
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch
Hình 3.6 Sơ đồ board toàn mạch
Trang 6
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề
− Khái niệm: Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khácbiệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơđồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc
kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto cókhả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết
− Cấu tạo: Động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơmột chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ
− Hoạt động: Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theotừng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờcác bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự vàmột tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyểnmạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyểnđổi và tần số chuyển đổi
− Ứng dụng: Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấuchấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa radưới dạng số Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúngđược ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiểnrobot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị, bám mục tiêutrong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay Trong công nghệ máytính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in,…
− Ưu điểm:
+ Dễ thiết kế, điều khiển…
+ Nhiều nguồn linh kiện giá vừa phải
+ Dễ kiểm tra, sửa chữa
− Nhược điểm :
+ Dòng ra nhỏ
+ Khó bo mạch bởi nhiều linh kiện
+ Khó xác định được thời gian của 1 xung
+ Thường chỉ điều khiển cho động cơ bước loại nhỏ
1.2 Mục tiêu của đề tài
- Tìm hiểu nguyên lý, chức năng và tác dụng của động cơ bước
Trang 7- Tìm hiểu được các chức năng, tác dụng của các linh kiện thiết bị điện tử.
- Hoàn thành sản phẩm là mạch điều khiển động cơ bước: Tăng tốc ,giảm tốc,đảochiều…
- Rèn luyện cho sinh viên cách tự học, đi đôi với thực hành và khả năng làm việctheo nhóm
1.3 Kế hoạch thực hiện
-Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết chung của mạch điều khiển động cơ bước Bao
gồm nguyên tắc hoạt động của mạch và một số mạch để đưa ra lựa chọn tốt cho đề tàilàm đồ án
-Bước 2: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụng trong mạch trên,
từ đó tính toán lựa chọn các linh kiện, thiết bị đạt yêu cầu sử dụng trong mạch
-Bước 3: Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm vẽ mạch professional, Eagle 4.14
từ đó đưa ra cách vẽ mạch điều khiển động cơ bước và hoàn thành bản mạch in củamạch
-Bước 4: Sau đã có bản mạch in tiến hành thi công hoàn thành sản phẩm
CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 IC 74194
a) Khái niệm.
IC 74LS194 là IC tích hợp của thanh ghi dịch hai chiều 4 bít Thanh ghi dịch haichiều này được thiết kế để hợp nhất hầu như tất cả đặc tính các ngõ vào song song, cácngõ ra song song, các ngõ vào dịch phải và dịch trái tuần tự, các ngõ vào họat độngkiểu điều khiển, và toàn bộ lĩnh vực quan trọng trực tiếp
Bộ ghi dịch có 4 chế độ hoạt động khác biệt là:
Trang 8• Song song ngõ vào
Flip - flop bị cấm khi cả hai chế độ điều khiển ngõ vào ở mức thấp
b) Cấu tạo bên trong và sơ đồ chức năng của các chân.
Cấu tạo bên trong:
Trang 9 Sơ đồ và chức năng các chân:
Hình 2.1Sơ đồ chân
IC 74194
Các chân 3,4,5,6 là các đầu vào số liệu A, B, C, D ( hoặc gọi là đầu vàođặt trước) Theo thứ tự từ A đến D thì A là bít có trọng số nhỏ nhất ( 20) và D
là bít có trọng số lớn nhất (23)
Các chân 12,13,14,15 là các đầu ra ( Q0 có trọng số nhỏ nhất)
Chân 1 là chân Load tích cực thấp để điều khiển nạp số liệu đặt trước vào
IC Khi cho Load = 0 các giá trị đặt ở A, B, C, D tương ứng sẽ chuyển ra cácđầu ra QA, QB, QC, QD Sau khi nạp phải chuyển Load sang mức logic 1 thì
bộ đếm mới hoạt động được
Trang 10IC là thanh ghi dịch vạn năng lưỡng hướng 4-bit
- Có khả năng dịch trái, dịch phải
- Cho phép truyền dữ liệu nối tiếp, song song đồng bộ
- Dễ dàng mở rộng cho cả hoạt động nối tiếp và song song
- Cho phép Reset Master không đồng bộ
Trang 11
Hình 2.3 74LS194 trong thực tế
2.2 Mạch tạo xung(IC 555)
2.2.1 Nguồn gốc của NE555.
IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằng công ty SigneticsCorporation bằng 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy thời gian vàcũng là loại có đầu tiên Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phítương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không
ổn định
Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại hóa 10 năm qua một số nhà sảnsuất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh tranh và những lý do khác Tuy thếnhững công ty khác lại sản suất ra những dòng này IC 555 hiện nay được sử dụng kháphổ biến ở các mạch tạo xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác
+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW
2.2.3 Chức năng của NE555.
+ Tạo xung
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)…
Trang 122.2.4 Bố trí chân và chức năng của các chân
Hình2.5 Sơ đồ chân của IC555
- Chân số 1(GND): cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC
NE555
- Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistorPNP Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3
- Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo
mức volt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)
- Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thìngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áptrên chân 2 và 6
- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mass Tuy nhiên tronghầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối mass qua 1 tụ từ 0.01uF đến 0.1uF, các tụ có tácdụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định
- Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác mạch so sánh dùngcác transistor NPN mức chuẩn là Vcc/3
- Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiển bởitầng logic khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7
tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lfc IC 555 dùng như 1 tầng dao động
- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho
IC 555 trong khoảng từ 5v - 15v và mức tối đa là 18v
2.2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện.Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếpchia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCCnối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp
2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ởchân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset
Trang 13=>Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì = [1], transisitor
mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 khôngvượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset
-Giai đoạn ngõ ra ở mức 1
Khi bấm công tắc khởi động ,chân 2 ở mức 0
Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S =[1], Q = [1] và = [0] Ngõ ra của IC ở mức Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạpqua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhấn công tắc lần nữa
Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫnkhông đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó
Trang 14- Cấu tạo PC817 gồm 1photodiode và 1 phototransister khi có dòng qua
photodiot, ánh sang phát ra từ photodiot sẽ làm phototransister dẫn.
- Mục đích:Nếu có sự cố tăng áp,cháy,chập thì không làm ảnh hưởng đến khối điều khiển
2.4 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
2.4.1 Cấu tạo
- Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa
số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành cácchuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết
-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
2.4.2 Hoạt động.
- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bướcnên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyểnmạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay vàtốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi
a)Động cơ biến từ trở :
+ Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 3.1, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở Khi
sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộnđược kích theo thứ tự liên tục
Trang 15+ Dấu thập trong hình 2.7 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cựcđối diện Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1 Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2
b) Động cơ đơn cực :
+Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc
8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.2, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các
đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó
Trang 16Hình 2.8 Động cơ loại nam châm vĩnh cửu
+Khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự
Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải vàbên trái động cơ Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,xếp xen kẽ trên vòng tròn
+ Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châmvĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ
và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ
+ Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cựcBắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam Nếu điện ở mấu 1
bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy
+ Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc Cả hai dãynêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì
