Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước

Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , Kĩ thuật vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử. Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi người. Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước dùng vi xử lý điều kiển tự động ”

Trang 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

Hưng Yên, Ngày… tháng 11 năm 2011 Giáo viên hướng dẫn:

Trang 2

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH SVTH:LINH TRỌNG QUÝ

NGUYỄN QUANG TẠO

2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU 5

1 1 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 5

1.1.1 Điện Trở 5

1.1.2 Tụ Điện 7

1.1.3 Diod bán dẫn 9

1.1.4 Transistor 12

1.2 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC 15

1.2.1 Tổng quan về động cơ bước 15

1.2.2 Hoạt động của động cơ bước 17

1.2.3 Phân loại động cơ bước: 17

1.2.4 Một số thông số và khái niệm 23

1.2.5 Các chế độ điều khiển động cơ bước 25

1.2.6 Kết Luận 27

1.3 GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ 89C51 28

1.3.1 Cấu tạo phần cứng: 28

1.3.2 Mạch cơ bản để 89C51 làm việc: 32

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU,THIÊT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 33

2.1 Thiết kế mạch điều khiển và mạch lực: 33

2.1.1 Chọn động cơ bước 33

2.1.2 Kết nối Vi Điều khiển với động cơ bước: 33

2.2 Xây dựng chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý của mạch 34

Trang 3

2.2.1 Lưu đồ thuật toán: 34

2.2.2 Chương trình điều khiển : 36

2.3 Mạch nguồn : 41

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 42

2.3.2 Sơ đồ đi dây khối nguồn 42

2.3.3 Sơ đồ bố trí linh kiện khối nguồn 43

2.4 Khối điều khiển của mạch 44

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý : 44

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch: 44

2.4.3 Sơ đồ đi dây khối điều khiển 45

2.4.4 Sơ đồ bố trí linh kiện khối điều khiển 46

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ CHẠY THỬ ĐỘNG CƠ BƯỚC 47

3.1 Tính chọn các linh kiện điện tử cho mạch điều khiển 48

3.2 Tính chọn linh kiện điện tử cho mạch nguồn 50

3.3 Chạy thử động cơ bước 50

KẾT LUẬN 51

Trang 4

4

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh

mẽ và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn của

ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý

Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , Kĩ thuật

vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được mọi nhu cầu của người dân Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử

Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi

người Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước dùng vi xử lý điều kiển tự động ” Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học

hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ sung thêm vào hành trang của mình trên con đường đã chọn

Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ của các thầy

cô giáo và các bạn đồ án môn học của chúng em đã hoàn thành Mặc dù đã cố gắng nghiên cứu và trình bày nhưng không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến để đồ án môn học này hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện :

Linh Trọng Quý Nguyễn Quang Tạo

Trang 5

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU

1 1 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

1.1.1 Điện Trở

1.1.1.1 Khái niệm : Điện trở là linh kiện điện tử thụ động không thể thiếu trong

các mạch điện và điện tử , chúng có tác dụng cản trở dòng điện tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng khác tùy theo vị trí của điện trở trong mạch

Điện trở thường Điện trở công

suất Điện trở công suất Biến trở

1.1.1.2 Các loại điện trở

- Điện trở than : Gồm có ba loại cơ bản sau

Than ép : Loại này có công suất < 3W và hoạt động ở tần số thấp

Màng than: Loại này có công suât >3W và hoạt động ở tần số cao

Dây quấn : Loại này có công suất > 5W và hoạt động ở tần số cao

-Điện trở công suất :Gồm ba loại cơ bản sau

Công suất nhỏ : Kích thước nhỏ

Công suất trung bình : Kich thước lớn hơn

Công suất lớn : Kich thước lớn hơn

- Biến trở : Là loại điện trở có khả năng thay đổi được giá trị của mình

- Quang trở :Có thể thay đổi được thông số nhờ vào ánh sáng

Trang 6

-Phân phối dòng điện thích hợp cho tải

1.1.1.5 Các thông số anh hưởng điện trở

- Nhiệt độ

-Thời gian

-Cao tần

1.1.1.6 Cách kiểm tra điện trở

* Kiểm tra bằng mắt thường

* Kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng : Xem có đúng với giá trị thực ghi trên điện trở không

Kiểm tra để đo biến trở

-Vặn đồng hồ về thang đo Ohm

-Đo cặp chân 1-3 rồi đối chiếu với giá trị ghi trên điện trở

-Đo tiếp cặp chân 1-2 rồi dùng tay chỉnh thử xem kim đồng hồ có thay đổi không

Trang 7

+ Nếu thay đổi chậm ta xác định VR là loại A

+ Nếu thay đổi nhanh ta xác định VR là loại B

+ Nếu kim đồng hồ thay đổi rồi chuyển hẳn về  là biến trở bị đứt

+ Nếu kim đồng hồ thay đổi rồi lại chuyển về  rồi lại trở về vị trí gần đó là biến trở bị bẩn , rỗ mặt

1.1.1.7 Những hư hỏng thường gặp ở điện trở

Đối với các VR loại than thường gặp các hư hỏng như :đứt,bẩn, rỗ mặt than Trường hợp mặt than bị bẩn , rỗ mặt sẽ gây ra những hư hỏng thường gặp trong thực tế Để khắc phục nhanh hỏng hóc trong trường hợp này ta dùng xịt gió thổi sạch các cáu bẩn , rồi nhỏ một ít dầu máy khâu vào biến trở là xong

Cháy do làm việc quá công suất

Đứt đo ohm không lên

Tăng trị số thường sảy ra với các điện trở bột than , do lâu ngày hoạt tính của bột than bị biến chất làm tăng trị số điện trở

Giảm trị số thường xảy ra với các điện trở dây quấn ,do lâu ngày bị chạm một số vòng dây

1.1.2 Tụ Điện

1.1.2.1 Khái niệm

Tụ điện gồm hai bản cực ghép song song làm bằng chất dẫn điện ,giữa hai bản cực

là chất điện môi (cách điện ), là một bình chứ điện nhỏ , nạp và phóng điện lúc cần thiết Giá trị dòng điện qua tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến dổi điện áp trên nó theo thời gian:

Công thức: i=c

1.1.2.2 Chức năng

Tụ điện ngăn không cho dòng điện một chiều đi qua , chỉ cho phép dòng xoay chiều đi qua bằng cơ chế phóng nạp điện tích giữa hai bản tụ Khả năng nạp , xả nhiều hay ít phụ thuộc vào điện dung C của tụ điện Tụ điện là linh kiện có thể lưu

Trang 8

8

chú được các điện tích và tích lũy năng lượng dưới dạng điện trường Khi sử dụng cần quan tâm đến hai thông số :

+ Điện dung : Cho biết khả năng chứa điện của tụ điện

+ Điện áp :Cho biết khả năng chịu đựng của tụ điện

1500 1,5KV

C = 20.10 3 pF = 20 nF

Bên cạnh các loại tụ nói trên còn có các loại tụ khác như :

Tụ giấy , tụ mica , tụ màng mỏng , tụ tantal , tụ biến đổi , tụ không phân cực , màng tụ điện …

1.1.2.4 Các cách ghép tụ

A Ghép nối tiếp B Ghép song song

1.1.2.5 Ứng dụng của tụ điện

Trang 9

Tụ điện sử dụng rất nhiều trong ký thuật điện và điện tử

-Dùng để làm lệch pha , tạo từ trường quay để làm quay moto

-Dùng để bù pha tránh hiện tượng lệch pha trong mạch điện xoay chiều ba pha -Để lọc điện trong các bộ nắn , làm tụ lọc tụ liên lạc , phân dòng trong các mạch khuếch đại âm tần

-Tụ có giá trị điện dung bé thường dùng nhiều ở khu vực mạch cao tần

-Tụ biến đổi dùng để lắp trong mạch cộng hưởng có tần số điều chỉnh được …

ra dòng điện chạy trong diod

* Phân cực ngược :

Dùng một nguồn điện nối từ cực âm của nguồn vào chân P của diod và cực dương của nguồn vào chân N của diod Lúc đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lỗ trống

và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa các electron và lỗ trống càng khó khăn hơn Tuy nhiên trường hợp này vẫn có dòng điện rất nhỏ đi qua diod từ vùng N sang vùng P gọi là dòng điện rỉ trị số khoảng

A.Hiện tượng này được giải thích là do trong chất P cũng có một số ít electron và

Trang 10

* Đặc tuyến vol-ampe của diod bán dẫn như sau:

0.2 0.4 0.6

5 10

15

20 40 60 80

1.1.3.3 Các thông số của diode bán dẫn

-Điện áp nghịch cực đại là điện áp phân cực nghịch lớn nhất đưa vào diode mà không đánh thủng diode

-Dòng điện thuận cực đại là dòng điện lớn nhất có thể chạy qua diode mà diode không bị đánh thủng

-Dòng điện thuận trung bình là dòng điện làm việc của diode

Trang 11

-Điện áp thuận rơi trên diode Vf là điện áp ngưỡng của lớp tiếp giáp P-N Điện áp này đo được ở một dòng điện quy định

1.1.3.4 Các loại diode đặc biệt

1 Diode Zener :

a) Cấu tạo :Diode zener có cấu tạo giống như diod thường nhưng các chất bán dẫn

được pha tạp chất với tỷ lệ cao hơn diod thường Diode zener thường là loại silic

b) Đặc tính : Trạng thái phân cực thuận : Diode zener có đặc tính giống như diode

nắn điện thông thường

Trạng thái phân cực ngược do pha tạp chất với tỷ lệ cao nên điện áp nghịch VRmax có trị số thấp hơn diode nắn điện gọi là điện áp zener VZ

c) Ứng dụng :Mạch ổn áp

Diode zener được làm linh kiện ổn định điện áp trong các mạch có điện áp nguồn thay đổi

2.Diode quang (photo diode)

Cấu tạo : Diode quang có cấu tạo giống như diode thường nhưng vỏ bọc cách điện

có một phần là kính hay thủy tinh để nhận ánh sáng chiếu vào mối nối P-N

Mối nối P-N phân cực nghịch khi được chiếu sáng vào mạch tiếp giáp sẽ phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó

Trị số điện trở của photo diode trong trường hợp dược chiếu sáng và bị che tối -Khi bị che tối Rnghịch= vô cực ; Rthuận :rất lớn

-Khi chiếu sáng Rnghịch=10k 100k; Rthuận:=vài trăm

Diode quang sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng , báo động cháy

3.Diod phat quang led (Laght emitting diod )

Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt Ở một số chất bán dẫn đặc biệt là (GaAs) khi có dòng điện đi qua có hiện

Trang 12

12

tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng ).Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra

có màu khác nhau Dựa vào tính chất này người ta chế tạo ra Led có màu khác nhau

Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diod nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao

Led thường được dùng trong mạch báo hiệu ,chỉ thị trạng thái của mạch như báo nguồn , trạng thái thuận hay ngược …

Diod tách sóng ký hiệu như diod thường nhưng vỏ cách điện bên ngoài thường

là lớp thủy tinh trong suốt

5.Diod biến dung (varicap)

Diod biến dung là diod có điện dung ký sinh thay đổi theo điện áp phân cực Khi diod được phân cực thuận thì lỗ trống và electron ở hai lớp bán dẫn bị đẩy lại gần nhau và làm thu hẹp bề dày cách điện nên điện dung được tăng lên Khi diod được phân cực ngược thì lỗ trống và electron bị kéo ra xa và làm tăng bề dày cách điện nên điện dung bị giảm xuống

Diod biến dung được sử dụng như một tụ điện biến đổi (bằng cách thay đổi điện

áp phân cực ) để thay đổi tần số của mạch cộng hưởng

1.1.3.5 Ứng dụng của diode bán dẫn

Mạch nắn điện bán kỳ Mạch nắn điện toàn chu kỳ

Mạch ổn áp

1.1.4 Transistor

Trang 13

1.1.4.1 Cấu tạo :

Gồm ba lớp bán dẫn ghép lại với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp P-N nằm

ngược chiều nhau Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là ba cực

+) Cực nối với vùng bán dẫn chung gọi là cực gốc Cực gốc mỏng và nồng độ tạp chất thấp

+) Hai cực nối với hai vùng bán dẫn ở hai bên là cực phát emitter và cực thu collector , hai vùng bán dẫn có chung loại bán dẫn nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không thể hoán vị cho nhau được Vùng cực E có nồng độ tạp chất rất cao còn vùng cực C có nồng độ tạp chất lớn hơn vùng B nhưng nhỏ hơn vùng E

1.1.4.2 Những thông số kỹ thuật chủ yếu của transistor

Dòng điện cực đại cho phép : là dòng điện lớn nhất có thể đi qua transistor mà không làm hư nó

Điện áp đánh thủng : là điện áp nghịch tối đa đặt vào cặp cực BE , BC ,CE Nếu quá điện áp này thì transistor bị hư

Công suất cực đại cho phép :transistor hoat động sẽ tiêu thụ một công suất Nếu công suất vượt quá công suất cực đại cho phép thì transistor bị hỏng

Tần số cắt :là tần số mà khi transistor làm việc ở đó , hệ số khuếch đại dòng của

nó giảm xuống còn 0.7 trị số so với lúc làm việc ở tần số thấp Ở vùng có tần số cao hơn nữa thì hệ số khuếch đại dòng giảm mạnh

1.1.4.3 Cấp điện và phân cực cho transistor

a) Cấp điện cho transistor :

Cấp điện cho transistor là cung cấp điện áp một chiều thích hợp , đặt vào hai cực

C và E của transistor

Với transistor NPN cực dương của nguồn nối vào chân C và cực dương của nguồn nối vào chân E Về điện áp thì tùy thuộc vào vị trí mà giá trị cụ thể của transistor trong mạch mà cung cấp giá trị điện áp cần thiết

b) Phân cực cho transistor :

Trang 14

14

Phân cực cho transistor là cung cấp một điện áp DC thích hợp giữa chân B,C,E để đảm bảo cho tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực nghịch -Với transistor NPN :Ub>UE và Ub>UC

-Với transistor PNP Ub<UE và Ub>UC

Về giá trị điện áp :Tùy thuộc vào vật liệu cấu tạo lên transistor là Si hay Ge mà giá trị điện áp UBE nằm trong một khoảng nhất định

Trang 15

1.2 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC

1.2.1 Tổng quan về động cơ bước

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại

dễ dàng ở các vị trí bất kỳ

Hình1.1: Hình ảnh thực tế của động cơ bước

Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước Cả hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và

vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần

Trang 16

Hướng Nam

Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và

nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp

Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản; những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng đẻ 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 roto có khả năng cố định roto 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

Trang 17

1.2.2 Hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch 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 và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số

chuyển đổi

1.2.3 Phân loại động cơ bước:

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và từ biến trở ( cũng có loại động cơ hỗn hợp, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm châm vĩnh cửu).Nếu mất đi nhãn động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng các giác quan mà không cần cấp điện cho chúng, Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trung tâm được dùng

trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực

Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến

0.72 độ mỗi bước

1.2.3.1 Động cơ biến từ trở

Trang 18

18

Hình 1.3 Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây được nối như hình 1.2, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn dây, thì nó chắc chắn là một động cơ từ trở Khi sử dụng, dây nối chung (C ) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục

Dấu thập trong hình 1.2 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 cực đối 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

Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:

Cuộn 1 1001001001001001001001001

Cuộn 2 0100100100100100100100100

Cuộn 3 0010010010010010010010010

thời gian ‐‐

Trang 19

1.2.3.2 Động cơ đơn cực

Hình 1.4 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 1.4 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

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên 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 châm vĩnh 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 đến1.8 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 cực Bắc 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:

Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110

Trang 20

20

Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian > thời gian >

Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc Cả hai dãy nêu 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 vậy, nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1,4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần

1.2.3.3 Động cơ hai cực

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp

hơn Minh hoạ ở hình 1.5 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở

đây giống như ở hình 1.4

Hình 1.5 Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi

Trang 21

mấu;điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần Các mạch điều khiển Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và ‐ để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ:

Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra

và một đầu khác để điều khiển hướng Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên:

Trang 22

22

1.2.3.4 Động cơ nhiều pha

Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 3.4 Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha

và 5 pha

Hình 1.6

Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam

châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 1.6

Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây:

Trang 23

chỉ có một đầu thay đổi cực Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu

đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong

trạng thái nghỉ trước đó Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 1.4, dãy

điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng

Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R

Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng

1.2.4 Một số thông số và khái niệm

1.2 4.1 Góc bước:

Mỗi bước dịch chuyển bao nhiêu là tuỳ thuộc vào cấu trúc bên trong của động cơ, đặc biệt là số răng của roto và stator Góc bước là độ quay nhỏ nhất của một bước Các động cơ khác nhau có góc bước khác nhau (bảng 1)

Các góc bước của động cơ

Trang 24

24

1.2.4.2.Quan hệ bước/ giây và số vòng quay/ phút RPM

Quan hệ giữa số vòng quay/phút RPM (revolutions per minute), với số bước của mỗi vòng quay và số bước/giây là quan hệ trực quan và được biểu diễn như sau:

Số bước trong giây =

60

RPM

x số bước trong vòng quay

1.2.4.3.Chuỗi xung bước và số răng trên roto

Chuỗi xung chuyển mạch nêu ở bảng 1 được gọi là chuỗi xung chuyển mạch bốn bước, bởi vì sau 4 bước thì hai cuộn dây giống hệt nhau sẽ được bật Sau bốn bước này động cơ chỉ quay được một bánh răng Do vậy số bánh răng của động cơ

có thể tính:

Số bánh răng= số bước/ vòng:4

Như vậy có thể kết luận góc bước tối thiểu của động cơ là hàm của số bánh răng

Ở đây xảy ra trường hợp khi góc bước của động cơ là chẵn mà muốn động cơ quay với số bước là lẻ thì làm thế nào? Ví dụ khi góc bước là 2 độ muốn động cơ quay 1

độ Vậy muốn có độ phân giải nhỏ hơn thì động cơ bước cần dùng chuỗi chuyển mạch 8 bước thay cho 4 bước nêu trên, chuỗi 8 bước còn gọi là chuỗi nửa bước (half stepping), vì ở mỗi chuỗi 8 bước ,thì mỗi bước là một nửa góc bình thường Bảng chuỗi xung 8 bước

Trang 25

Chiều kim

đồng hồ Bước

Cuộn dây A

Cuộn dây B

Cuộn dây C

Cuộn dây D

Chiều quay bộ đếm

1.2.4.5 Momen giữ

Mômen giữ được định nghĩa là lượng mômen ngoài cần thiết để làm quay trục động cơ từ vị trí giữ của nó với điều kiện trục động cơ đang đứng yên Đại lượng này được đo bằng tỷ lệ điện áp và dòng điện cấp đến động cơ Đơn vị của mômen giữ là kg – cm

1.2.5 Các chế độ điều khiển động cơ bước

- Điều khiển cả bước

- Điều khiển nửa bước

- Điều khỉên vi bước

Trang 26

26

Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước:

1.2.5.1 Đối ới động cơ bước t n hiệu điều khiển các xung rời rạc kế tiếp nhau Việc điều khiển động cơ phụ thuộc vào các tham số sau:

Dòng điện kể cả cực tính ( liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp )

Độ rộng xung (liên quan đến góc quay )

Tấn số xung ( liên quan đến góc quay )

Cách thức cấp xung bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp điện ( liên quan đến chiều quay và momen tải )

1.2.5.2 y thuộc o iệc cấp xung điện động cơ bước có bốn trạng thái sau đây:

ạng i ng ạ động i ng c ộn n được cấp điện:

Đối với động cơ phản kháng roto sẽ quay trơn

Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu động cơ kiểu hỗn hợp: có momen hãm có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực của roto và stato nhỏ nhất

ạng i gi : Khi 1 cuộn dây pha được cấp điện 1 chiều roto mang tải sẽ được

giữ chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng sinh ra momen giữ

ạng i c c n bước: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang bước sang vị

trí bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp

ạng i giới ạn: trong chế độ không tải nếu xung điều khiển có tần số quá

cao, động cơ sẽ quay vượt tốc Ở trạng thái này động cơ không đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí nhưng vẫn tiến và giảm tốc từ từ

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	1,47 MB