điều khiển động cơ bước bằng truyền thông

Đây là bản báo cáo của môn học vi xử lý về điều khiển động cơ bước từ truyền thông sử dụng vi điều khiển AT89C51.Đây chỉ là báo cáo về môn học nên trong tài liệu còn nhiều thiếu sót mong bạn đọc thông cảm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO THIẾT KẾ MÔN

Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Khoa : Điện điện tử

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay động cơ điện được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống Yêu cầu điều khiển động cơ điện ngày một phức tạp hơn, đòi hỏi sự chính xác cao hơn với những kỹ thuật khác nhau Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc điều khiển nói chung và điều khiển động cơ điện nói riêng ngày được số hóa

Một trong những động cơ được sử dụng rộng rãi hiện nay có khả năng số hóa cao là động cơ bước

Từ những kiến thức đã học và trong quá trình tìm hiểu tài liệu, chúng em xin được trình bày về động cơ bước và những điểm chính trong động cơ bước từ

truyền thông

Với kiến thức,tài liệu và khả năng trình bày có hạn,chắc chắn bài làm sẽ còn nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để hoàn thiện hơn kiến thức của nhóm em

4-Các loại động cơ bước

5-Cách điều khiển động cơ bước

Linh kiện bao gồm:

độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

Hình dạng của một loại động cơ bước

Bên trong động cơ bước

Theo hình trên, bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp theo cặp đối cứng qua tâm Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyết từ trường các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau Từ trường của Stator là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây tạo ra, khi đó hướng của dòng thay đổi thì cực từ trường cũng thay đổi theo gây nên chuyển động đảo chiều của động cơ

3 Nguyên lý hoạt động

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước được khởi độngbằng phương pháp tần số do không có cuộn dây khởi động Rotor của động cơ bước có Rotor tích cực hoặc Rotor thụ động

Động cơ bước làm việc nhờ bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu vào Stator theo một thứ tự và một tần số nhất định Số lần chuyển mạch sẽ bằng tổng số gócquay của Rotor, chiều quay và tốc độ quay của rotor cũng phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực:

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stator theo từng cuộn riêng lẻ hoặc có thể theo từng nhóm các cuộn dây Trị số cũng nhưchiều của lực điện từ tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần

Do đó, vị trí của Rotor của động cơ bước phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây:

Khác với động cơ đồng bộ bình thường, rôto của động cơ bước không có cuộn dâykhởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số.Rôto của động cơ bước có thể được kích thích (rôto tích cực) hoặc không được kích thích (rôto thụ động)

Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto có 2 cực (2p=2) và không được kíchthích

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiến học Chúng làm việc nhờ các

bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiến 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.

Hình minh họa thứ tự cấp điện các cuộn dây và các bước quay

4 Các loại động cơ bước

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở, ngoài ra còn có loại động cơ hỗn hợp nhưng nó không có khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu Nếu không có nhãn để phân biệt động cơ, bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng

Động cơ bước nhiều pha

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, sử dụng 0hm kế ta cũng có thể phân biệt được hai loại động cơ này

Động cơ bước 2 cực

Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu với một dây chung, trong khi đó động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có thể có hoặc không có nút trung tâm

Động cơ bước có góc quay phong phú, các động cơ kém nhất 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 Hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển cácphân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước

Động cơ bước đơn cực

5 Cách điều khiển động cơ bước

Động cơ bước được điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau tạo thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước bên có chế độ

chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào Stator theo thứ tự và tần số nhất định.Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau.

D.C.SUPPLY: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống Nguồn một

chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Với các động cơ có côngsuất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều

CONTROL LOGIC: Đây là khối điều khiển logic Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều

khiển động cơ Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một hệ thống mạch điện tử Nó tạo ra các xung điều khiển Động cơ bước có thể điều khiển theo cả bước hoặc theo nửa bước

POWER DRIVER: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh để đưa vào

động cơ Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động

STEPPER MOTOR: Động cơ bước Các thông số của động cơ gồm có: Bước góc, sai

số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc.Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây

ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo Việc sử dụng động

cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện

Bước góc của động cơ bước được chế tạo theo bảng tiêu

Ví dụ: điều khiển robot, điều khiển bắt, bám các mục tiêu trong các khí tài quan

sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt… Ngoài ra trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, máy in…

II-GIới thiệu tổng quan về họ vi điều khiển 8051

AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit, chế tạo theo công nghệ CMOS chất lượngcao, công suất thấp với 4 KB PEROM (Flash Programeable and erasable read onlymemory)

Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:

- 4KB bộ nhớ, có thể lập trình lại nhanh, có khả năng ghi xóa tới 1000 chu kỳ

- Tần số hoat động từ 0 Hz đến 24 MHz

- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

OTHER REGISTER 128 byte RAM

128 byte RAM 8032\8052 ROM

0K:

8031\8032 4K:8951 8K:8052

I/O PORT SERIAL PORT

EA\ RST ALE\ PSEN\

P0 P1 P2 P3 Address\Data TXD RXD

TEMER2 8032\8052 TEMER1 TEMER1

- 2 bộ Timer/Counter 16 bit

- 128 Byte RAM nội

- 4 Port xuất/nhập (I/O) 8 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64 KB vùng nhớ mã ngoài

- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài

- Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

- 4μs cho hoạt động nhân hoặc chia

1 – Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51

Hình 1 – Sơ đồ khối của AT89C51

Hình 2 – Sơ đồ chân của AT89C51

2 – Chức năng các chân của AT89C51

+ Port 0 (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): Ngoài chức năng xuất nhập ra, port 0 còn

là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 – AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi AT89C51 giao tiếp với thiết bị ngoài có kiến trúc bus

Hình 3 – Port 0 + Port 1 (P1.0 – P1.7 hay chân 1 – 8): có chức năng xuất nhập theo bit và byte.

Ngoài ra, 3 chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, 2 chânP1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2

Hình 4 – Port 1

+ Port 2 (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): là một port có công dụng kép Là đường

xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mởrộng

Hình 5 – Port 2

+ Port 3 (P3.0 – P3.7 hay chân 10 – 17): mỗi chân trên port 3 ngoài chức năng

xuất nhập ra còn có một số chức năng đặc biệt sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếpP3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếpP3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter 0P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter 1P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoàiP3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Hình 6 – Port 3 + RST (Reset – chân 9): mức tích cực của chân này là mức 1, để reset ta phải đưa

mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tối thiểu 2 chu kỳ máy (tương đương 2µsđối với thạch anh 12MHz

+ XTAL 1, XTAL 2: AT89S52 có một bộ dao động trên chip, nó thường được nối với

một bộ dao động thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHz, thông thường là 12MHz

+ EA (External Access): EA thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp

(GND) Nếu ở mức cao, bộ vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội Nếu ởmức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng

+ ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi

bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó các đường port 0 dùng đểxuất hoặc nhập dữ liệu trong nửa chu kỳ sau của bộ nhớ

+ PSEN (Program Store Enable): PSEN là điều khiển để cho phép bộ nhớ chương

trình mở rộng và thường được nối với đến chân /OE (Output Enable) của mộtEPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gianđọc lệnh Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua Bus vàđược chốt vào thanh ghi lệnh của bộ vi điều khiển để giải mã lệnh Khi thi hànhchương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao)

+ Vcc, GND: AT89S52 dùng nguồn một chiều có dải điện áp từ 4V – 5.5V được cấp

qua chân 40 (Vcc) và chân 20 (GND)

+Thạch anh 12 Mhz : Tạo tần số hoạt động cho VĐK 8051

Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thì sinh ra dao động Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương hình a., trong đó

Lq,Cq và rq phụ thuộc vào kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq và rq càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hương riêng của nó càng cao Lq, Cq và rq có tính ổn định cao Cq là điện dung giá

đỡ, tính ổn định của Cq kém hơn

ULN 2003 có khả năng điều khiển 7 kênh riêng biệt, có thể nối trực tiếp với vi điều khiển 5V Bên cạnh đó, mỗi kênh của ULN 2003 có thể chịu được dòng điện lớn trong một khoảng thời gian dài lên tới 500mA với biên độ đỉnh lên tới 600mA.

Ứng dụng của ULN 2003 được sử dụng trong các mạch đệm điều khiển động cơ một chiều, động cơ bước, khối hiển thị ma trận led,

III-Lập trình và mô phỏng

1-Mô phỏng trên proteus

2- Code lập trình

Sử dụng ngôn ngữ lập trình C được viết bằng phần mềm keil C

Code như sau:

int  j,sobuoc= 10 ,i= 0 ,mode= 3 ;

delay( 5000 );

xung1= 0 ;xung2= 0 ;xung3= 1 ;xung4= 1 ;

if (ch== 'c' ) 

Lệnh được gửi từ máy tính đưa vào hàm ngắt để chạy

IV-Nhận xét đánh giá