Thiê ́t kê ́ và lắp ráp mô hình chuyển động tịnh tiến dùng động cơ bước và trục vít me (xác định quãng đường đi và vị trí của chi tiết thông qua chuyển động quay của động cơ)

Để khắc phục vấn đề này đã có rất nhiều trang thiết bị quen thuộc với cuộc sống hàng ngày của chúng ta như tủ lạnh, điều hòa, máy sấy,… Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã lựa c

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Động cơ bước 4

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ bước 4

1.1.2 Cấu tạo 4

1.1.3 Hoạt động 5

1.1.4 Ứng dụng 5

1.1.5 Phân loại 5

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN 11

2.1 Sơ đồ khối 11

2.2 Phân tích các khối 11

2.2.1 Động cơ 11

2.2.2 Khối điều khiển 11

2.2.3 Khối hiển thị 16

2.2.4 Mô phỏng 19

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 20

2.3.2 Sơ đồ mạch in 21

2.3.3 Nguyên lí hoạt động của mạch 23

KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

LỜI MỞ 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 đónggóp 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 hầu hết 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

Việt nam là một nước nằm trên xích đạo, có khí hậu nhiệt đới nên nhiệt độ và độ ẩm giữa các mùa có sự chênh lệch rất lớn, tạo nên sự khó chịu trong công việc cũng như sinh hoạt hàng ngày của người dân Để khắc phục vấn đề này đã có rất nhiều trang thiết bị quen thuộc với cuộc sống hàng ngày của chúng ta như tủ lạnh, điều hòa, máy sấy,… Để góp một phần nhỏ vào việc này

chúng em đã lựa chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và lắp ráp mô hình chuyển động tịnh tiến dùng động cơ bước và trục vít me

(xác định quãng đường đi và vị trí của chi tiết thông qua

chuyển động quay của động cơ)”.

Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất đểhọc hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình trên con đường đã chọn trong tương lai

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 tận tình của các thầy cô giáo,các bạn và đặc biệt là với

sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Quang Phú chúng em đã

hoàn thành được đồ án môn học lần này

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng còn hạn chế nên chúng em 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 quý báu để đồ án môn học của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày Tháng Năm 2018 Chữ Ký Giáo Viên Hướng Dẫn

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động cơ bước

1.1.1 Giới thiệu chung về động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng

khác biệt với đa số động cơ điện thông thường Chúng thực chất là động cơ đồng 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 chuyển động của roto có khả năng cố định roto và các vị trí cầnthiết.

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 thốngphải nhận diện lại, servo motor thì không xảy ra vấn đề này

1.1.2 Cấu tạo

Về cấu tạo động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai động

cơ như trình bày trên hình 1.1

- Động cơ một chiều không tiếp xúc

- Động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Hình 1.1 Hình dạng của một loại động cơ bước

1.1.3 Hoạt động

- 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 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

1.1.4 Ứng dụng

- Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một

cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh dưới dạng số

- Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điềukhiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong 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 máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in

1.1.5 Phân loại

- Về cơ bản có 3 loại động cơ bước: loại từ trở biến đổi (Variable Reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid) Chúng khác nhau ở cấu tạo trong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu hoặc lõi sắt với các lá thép stato

Loại có từ trở biến đổi (Variabke Reluctance) như hình 1.2

- Thông thường có 3 hoặc 4 cuộn dây được nối chung một đầu Đầuchung đựơc nối với nguồn dương, các đầu còn lại cho thụng với đất

để quay Rotor Cả Stator và Rotor đều có răng Rotor được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay

- Chiều quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều dòng điện màchỉ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuôn dây

- Loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm nhưng mômen đồng bộ nhỏ

Hình 1.2 Hình ảnh động cơ bước loại có từ trở biến đổi

- Loại động cơ này về cấu tạo giống với động cơ bước kiểu đơn cựcvới một rôto sắt đa răng mềm Tuy nhiên chỉ có 4 đầu ra Vì các nam châm của các động cơ bước từ trở thay đổi nhỏ hơn và nhẹ hơn các động cơ bước nam châm vĩnh cửu nên tốc độ của chúng nhanh hơn nên moment của loại động cơ này sẽ nhỏ hơn loại động cơ nam

châm vĩnh cửu và loại lai

Hình 1.3 Hình ảnh động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu

- Nam châm vĩnh cửu như tên gọi của nó thì có nam châm vĩnh cửuđược thêm vào cấu trúc cơ Rotor không còn có răng như với động cơ

VR Thay vào đó, rotor là nam châm với các cực bắc và nam xen kẽ nhau nằm ở một đường thẳng song song với trục rotor Các cực rotor

từ hóa này cung cấp cường độ từ thông tăng lên và do đó động cơ mang lại đặc tính mô-men xoắn được cải thiện hơn so với các kiểu từtrở biến đổi Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn Góc bước của loại này nhỏ có thể đạt 1,8/step, 0,72/step Trên hình 1.3 là sơ

đồ cấu tạo của động cư bước nam châm vĩnh cửu

Hình 1.4 Hình ảnh động cơ bước lai (Hybrid)

- Các động cơ bước lai tạo ra hiệu suất tốt hơn đối với độ phân giải,

mô men và tốc độ các bước Các rotor của động cơ bước lai là đa răng như các (stepper reluctance) biến từ trở và nó có một nam châm đồng trục với các cực bắc và nam xen kẽ nhau nằm ở một đường thẳng song song với trục rotor Răng trên rotor cung cấp một con đường tốt hơn giúp hướng dòng chảy từ thông đến vị trí các bánh răng stator Các loại động cơ bước phổ biến nhất được sử dụng

là nam châm vĩnh cửu và lai

- Động cơ bước được chia thành hai loại theo kiểu dây quấn như lưỡng cực và đơn cực steppers

+ Động cơ bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor):

+ Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor)

Hình 1.5 Động cơ bước kiểu đơn cực (Unipolar Stepper Motor)

- Động cơ bước đơn cực có Rotor được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu Chia thành các răng N, S xen kẽ Stator được cấu tạo bởi 2 cuộndây bố trí trực giao với nhau Mỗi cuộn dây lại được chia thành 2 phần bố trí xuyên tâm đối Giữa các cuộn dây này có một đầu ra để nối với dương nguồn Động cơ loại này thường có 6 đầu ra Đầu 1, 2 thường được nối với cực dương Các đầu 1a, 1b, 2a và 2b được lần lượt nối đất sẽ quyết định chiều quay của động cơ Máy khoan mạch

in tự động sử dụng loại động cơ bước này vì động cơ có mạch điều khiển đơn giản, điều khiển dễ dàng, rất rẻ và rất dễ mua trên thị trường

Như trong hình 1.5, 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

Hình 1.6 Động cơ bước kiểu lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor)

- Với động cơ bước lưỡng cực chỉ có một cuộn dây duy nhất trên mỗipha Các mạch điều khiển cần phải phức tạp hơn để đảo ngược cực

từ Điều này được thực hiện với một sự sắp xếp cầu H, tuy nhiên có một số chip điều khiển có thể được mua để làm cho một nhiệm vụ đơn giản hơn Không giống như động cơ bước đơn cực, động cơ bước lưỡng cực có hai đầu dây mỗi pha Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi 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

1.1.6 Đặc tính cơ động cơ bước và các phương pháp điều khiển.

- Tuỳ thuộc vào mô men yêu cầu trên trục động cơ và tốc độ quay

mà ta có thể áp dụng các phương pháp điều khiển khác nhau cho động cơ bước Trong vùng tốc độ thấp chỉ cần sử dụng phương pháp

điều khiển điện áp trực tiếp, khi đó dòng điện sẽ được giới hạn bởi chính nội trở của các cuộn dây động cơ Tuy nhiên tại vùng tốc độ cao, nếu tiếp tục sử dụng phương pháp này, mô men sẽ bị giảm nghiêm trọng do tính cảm của các cuộn dây sẽ giới hạn khả năng tăng của dòng điện Một phương pháp thường áp dụng để cải thiện tình hình này là sử dụng điện trở nối thêm vào các cuộn dây động cơ.Khi đó hằng số thời gian của động cơ sẽ giảm (vì L/nR thay vì L/R) dòng điện tăng nhanh hơn làm đặc tính cơ của động cơ cứng hơn Tuy vậy, động cơ sẽ cần một điện áp điều khiển lớn hơn nhiều và hơn 70% công suất nguồn nuôi sẽ toả nhiệt trên các điện trở nối thêm này Chính vì lí do này mà phương pháp điều khiển kiểu băm (băm xung) thường được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất, tăng độ cứng cho đặc tính cơ động cơ bước

- Trong thực tế, phương pháp điều khiển băm xung (băm xung) được

sử dụng rất rộng rãi

Phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi (đây là phương phápphổ biến nhất) cũng được chia thành các loại sau đây:

a Phương pháp băm xung pha

b Phương pháp băm xung có bảo vệ (inhibit băm xung)

c Phương pháp băm xung duy trì thời gian t off không đổi

d Phương pháp băm xung với tần số băm xung tự do

- Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và mục đích

sử dụng cũng khác nhau

Trong những năm gần đây động cơ bước (chẳng hạn như của hãng Autonics) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển chính xác Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại những vấn đề phát sinh trong việc điều khiển một cách hiệu quả động cơ này, ngay cả đối với những người kỹ sư có kinh nghiệm Trên cơ sở phân tích đặc điểm

các phương pháp điều khiển loại động cơ thông dụng, bài báo sẽ đưa

ra phương án khắc phục nhược điểm nhằm giảm thiểu những sai lầm

dễ phạm phải trong việc thiết kế những hệ thống có sử dụng động cơbước

CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối

2.2 Phân tích các khối

2.2.1 Động cơ

Theo yều cầu của đề tài chúng tôi chọn:

Đối tượng điều khiển là động cơ bước và là loại 1.8 độ/ 1 step Tức là

200 step sẽ được 1 vòng

Với đề tài này chúng tôi chọn động cơ bước có thông số là:

+> điện áp 12VDC

+> dòng 2.5A

2.2.2 Khối điều khiển

Để điều khiển động cơ theo yêu cầu của đề tài là thay đổi tốc

độ ,đảo chiều động cơ ta có thể sử dụng vi điều khiển hoặc sử dụng

bộ Arduino UNO

Bộ vi điều khiển viết tắt là Mircro-controller là mạch tích hợp trên một chíp có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống Theo các tập lệnh của người lập trình bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, điện thoại, lò vi-ba…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng

Tổng quan về Arduino

Hình 2.2 Hình ảnh thực tế về board ArduinoGiới thiệu tổng quan về arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụngtương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau (hinh 2.3).

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với

các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield

Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328,

ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động

16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc

dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader chophép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là

ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho

xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lênmàn hình LCD…

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá

ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi

bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì nhữngchân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối

cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể

được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn

không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của

nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương

đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ

trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KBtrong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến

bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biếnthì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

1KB cho

EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):

đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên