Báo cáo đồ án điều khiển động cơ bước

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nênphổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giaothông định thời, đếm sản phẩm trong một dâ

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm ……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2011

Giáo viên chấm

(Ký ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 4

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 4

1.1.1 Vai trò của động cơ bước 4

1.1.2 Cấu tạo của động cơ bước 4

1.1.3 Hoạt động 5

1.1.4 Ứng dụng 6

1.1.5 Các đặc tính cơ bản của động cơ bước 6

1.1.6 Một số loại động cơ bước 7

1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN 11

1.2.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp 11

1.2.2 Xác định bài toán và giới hạn của đề tài 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG 14

2.2 SƠ ĐỒ CALL GRAPH 15

2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG 15

2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC MODULE 16

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể 16

2.4.2 Module điều khiển 16

2.4.3 Module động cơ 17

2.4.4 Module hiển thị 19

2.4.5 Module cảm biến 19

2.4.6 Module nguồn 20

2.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN 20

2.5.1 Khối điều khiển 21

2.5.2 Khối nguồn 23

2.5.3 Khối hiển thị: 24

2.5.4 IC đệm dòng ULN2803: 25

2.6 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 27

2.7 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN 28

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG 29

3.1 XÂY DỰNG PHẦN MỀM 29

3.1.1 Chương trình nạp vào vi điều khiển AT89C52 29

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34

3.3 XÂY DỰNG PHẦN CỨNG 35

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 35

3.3.2 Sơ đồ mạch in 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nênphổ biến: từ những ứng dụng đơn giản như điều khiển một chốt đèn giaothông định thời, đếm sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc

độ động cơ điện một chiều, thiết kế một biển quảng cáo dùng Led ma trận,một đồng hồ thời gian thực….đến các ứng dụng phức tạp như hệ thống điềukhiển robot, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máynăng lượng hạt nhân Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều côngnghệ khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén,thủy lực, rơle cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng cáccam chốt cơ khí các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử lý và mức độ tựđộng thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảngcủa các hệ thống nhúng

Với mong muốn giới thiệu những ứng dụng cơ bản của hệ thống nhúngtrong đời sống hiện đại và để mọi người biết đến một vài ứng dụng cụ thểcũng như tầm quan trọng của các hệ thống nhúng, nhóm chúng em đã tìm hiểu

và đưa ra mô hình điều khiển động cơ bước, ứng dụng phục hồi robots tựhành của Bộ môn Kỹ thuật máy tính

Trong quá trình thực hiện đồ án môn học, do kiến thức còn hạn hẹpcũng như kỹ năng phân tích thiết kế chưa cao nên còn nhiều thiếu sót, kínhmong thầy cô và các bạn đóng góp thêm ý kiến để đề tài của chúng em thànhcông hơn

Nhóm thực hiện đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫntận tình của ThS Nguyễn Văn Huy – Bộ môn Kỹ thuật máy tính - Khoa Điện

Tử đã giúp nhóm hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài: Dương Thanh Hoàng

Trần Xuân KỳTrần Văn Linh

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC

1.1.1 Vai trò của động cơ bước

Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động

kỹ thuật số, tự động hóa,… vì nó là cơ cấu chập hành trung thành với nhữnglệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác Ta cớ thể điều khiển nóquay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó ta muốn Vì vậy

nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số

Một số ứng dụng như : máy CNC, máy in, ổ cứng , ổ đĩa quang, robot,

…

Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao,chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng

1.1.2 Cấu tạo của động cơ bước

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 cơkhông đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xungđiện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyểnđộng 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 độngcơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suấtnhỏ

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dungchuyển mạch

Cụ thể, các mấu trong động cơ là rô to và stato là các năm châm vĩnhcửu hoăc trong trường hợp của động cơ biến từ trở nó là những khối răng làmbằng vật liệu nhẹ có từ tính, cho phép chúng quaykhá nhanh và với một mộđiều khiển thích hợp cho phép chúng khởi động và dừng lại ở bất kỳ vị trí nào

ta muốn một cách dễ dàng

Hình mẫu của một động cơ bước trong thực tế

Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống vòng hở đơn giảnnhững hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọngtĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫndùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc vàđộng cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

1.1.3 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 việcnhờ 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, cũngnhư chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi vàtần số chuyển đổi

Một số ưu và nhược điểm của động cơ bước:

hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điềukhiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu láiphương và chiều trong máy bay…

Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổđĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in …

1.1.5 Các 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): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ

Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng

ta có thể đếm 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 thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như:encoder, biến trở …

Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của

nó, so với động cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều

Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng

1.1.6 Một số loại động cơ bước

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

Dựa theo cấu trúc rotor, 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 hailoại:

- Động cơ bước đơn cực

- Động cơ bước lưỡng cực

Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.

Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo.Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường Stator

có các răng tương tự để giữ các cuộn dây Trong phương pháp thứ hai, Hình1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn Ưu điểm của cácrăng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn

Trên đây là một số loại động cơ bước, nhưng trong phạm vi đồ án nhóm

em tập trung vào cấu tạo và nguyên tắc của loại động cơ bước được sử dụngtrong đồ án, cụ thể là loại: Động cơ đơn cực như hình dưới đây

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với

8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trêncác cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dươngnguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từtrường tạo bởi cuộn đó

Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứnghơn

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 vớimỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạtđược 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 atạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam Nếuđiện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước Để quayđộng cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu củađộng cơ theo dãy

Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tảtrong hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi cấpđiện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một mô men xoáy lớn hơndãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần

Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả kếthợp hai chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ mộtcách lần lượt ở các vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên

Chuỗi kết hợp như sau:

1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN

1.2.1 Phân tích và lựa chọn giải pháp

a) Khảo sát và phân tích bài toán

Hiện nay trong thực tế thì việc điều khiển động cơ bước có nhiều

phương pháp, tùy vào mục đích sử dụng , tùy vào yêu cầu mà người ta cónhững phương pháp điều khiển động cơ bước sao cho phù hợp với yêu cầucông nghệ cũng như tính tối ưu hóa sản phẩm Trên thị trường cũng có nhiềumodul điều khiển được thiết kế sẵn, chuyên biệt phù hợp cho từng sản hẩmriêng

Dựa vào nguyên lý hoạt động và các đặc tính của động cơ bước , người

ta đã thiết kế sẵn các mạch số, các IC chuyên dụng để điều khiển động cơbước , kết hợp với các modul khác để có một sản phẩm hoàn thiện Với các ICchuyên dụng thì người ta thiết kế các mạch điều khiển động cơ bước nhanhgọn , đơn giản, độ chính xác cao Tuy nhiên ngoài việc sử dụng các vi mạchchuyên dụng để điều khiển nó, ta hoàn toàn có thể dụng vi điều khiển để điềukhiển nó, kết hợp với các IC số khác và lập trình ta hoàn toàn có thể điềukhiển được động cơ bước tùy theo ý mình, chủ động thiết kế phần cứng hơn,không như việc sử dụng các IC chuyên dụng Việc thiết kế mạch điều khiểnđộng cơ bước dùng vi điều khiển cũng đơn giản, thông qua lập trình ta có thểthiết kế mạch tùy ý sao cho tối ưu nhất, và với việc sử dụng vi điều khiển đểđiều khiển động cơ bước thì ta có thể tích hợp thêm cho nó nhiều chức năngkhác cho từng ứng dụng cụ thể cũng chỉ với cùng một bộ điều khiển đó màkhông cần tốn thêm nhiều modul khác dễ dàng , linh hoạt

Với một vi điều khiển thì ngoài việc dùng nó làm modul điều khiểnđộng cơ ta hoàn toàn có thể dùng nó để điều khiển các modul khác cùng hoạtđộng song song mà không cần tốn thêm nhiều modul khác Năng lượng để cấpcho vi điều khiển cũng rất nhỏ, khả năng xử lý của thì tùy vào từng loại màcho ta tốc độ khác nhau, nhưng đảm bảo yêu cầu để giải quyết bài toán này

b) Lựa chọn giải pháp

o Giải pháp công nghệ

Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải pháp điều khiển động

cơ bước sử dụng vi điều khiển thông qua việc điều khiển các chuỗi xung đưađến các cuộn dây của động cơ bước để nó quay được những góc tùy theo ý

mình, qua đó ta hoàn toàn có thể xác định được góc quay của động cơ, và xácđịnh được vị trí cụ thể của nó khi chuyển động.

Ứng dụng củ thể trong đề tài là phục hồi robot tự hành, thì ta hoàn toàn

có thể điều khiển cho nó chạy theo một lộ trình được đặt sẵn, thiết kế thêmcác công tắc hành trình để nó có thể tránh được vật cản khi xảy ra va chạmtrong quá trình hoạt động của nó

1.2.2 Xác định bài toán và giới hạn của đề tài

a) Các yêu cầu

Điều khiển động cơ quay đến một vị trí xác định, dừng ở vị trí bất kỳ tamuốn

- Tốc độ quay điều chỉnh được

- Hoạt động với điện áp 12V/DC

- Tốc độ ổn định, sai số nhỏ

Thông qua điều khiển động cơ ứng dụng vào việc phục hồi robot tựhành :

- Điều khiển cho robot di theo một lộ trình đặt sẵn

- Có khả năng tránh được vật cản trong khu đang chạy

- Có khả năng cải tiến và nâng cấp

- Kết nối với các modul khác

b) Giới hạn của đề tài

Do những đặc thù của động cơ bước nên hệ thống làm việc với tốc độkhông cao, momen quay nhỏ

Mô men của động cơ nhỏ nên chỉ mang được những tải nhỏ, việc tăngtải trọng làm quá trình chuyển động ko chính xác

Nguồn nuôi là động cơ là 12V nên việc cấp nguồn cho động cơ gặp khókhăn

Việc mở rộng thêm các modul gặp khó khăn do khả năng mang tải củađộng cơ không lớn

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG

Sơ đồ tổng thể của hệ thống

Khối nguồn: Lấy AC (hoặc DC) đầu vào từ 5 – 15V chỉnh lưu thành

nguồn DC cấp cho khối chấp hành đồng thời biến đổi thành nguồn DC 5Vcung cấp cho khối điều khiển, hiển thị, cảm biến

Khối cảm biến: Nhận ra các vật cản thông qua việc tác động của các

công tắc, gửi tín hiệu về khối xử lý

Khối xử lý: Tiếp nhận thông tin từ khối cảm biến, từ đó xuất tín hiệu

điều khiển gửi đến khối hiển thị và khối chấp hành theo các chương trình đãlập sẵn

Khối chấp hành: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý, thực hiện các

lệnh điều khiển do khối xử lý đưa ra để tạo ra sự di chuyển của robot

Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lý, hiển thị các vị trí va chạm

tương ứng khi khối cảm biến có tín hiệu tác động

Khối

xử lý

Khốichấp hành

Khối hiểnthị

Khối

cảm biến

Khối nguồn

2.2 SƠ ĐỒ CALL GRAPH

Sơ đồ Callgraph

2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG

Sơ đồ đặc tả của hệ thống điều khiển động cơ bước

CTđiều khiển chính

Module

Xử lýCảm biến

Module

Xử lýChương trình

Lùi

Chạy thẳng

Vật cản bên trái

Gặp vật cản

Rẽ trái

Rẽ phải

Vật cản bên phải

2.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC MODULE

2.4.1 Sơ đồ nguyên lý tổng thể

Với đồ án môn học Hệ thống nhúng với đề tài là ‘‘Điều khiển động cơbước, ứng dụng phục hồi robot tự hành KTMT’’, việc thiết kế phần cứng củamạch hệ thống cụ thể được chia làm 5 khối cơ bản là :

- Khối nguồn

- Khối cảm biến

- Khối hiển thị

- Khối động cơ

- Khối điều khiển

Sơ đồ mạch nguyên lý tổng quát của hệ thống như sau :

Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể

2.4.2 Module điều khiển

Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển AT89C52 Khi có tínhiệu tác động vào các công tắc hành trình gắn ở chân P1.0 đến P1.3, vi điềukhiển sẽ xuất tín hiệu để điều khiển khối hiển thị (Led đơn) và khối chấp hành

IC ULN2803 là IC đệm dòng, nhằm tạo ra dòng lớn hơn cung cấp cho 2động cơ thông qua 2 jump nối J3 và J4, các tín hiệu từ vi điều khiển sẽ đưavào 8 cổng vào (từ chân 1 tới chân 8) của ULN2803 điều khiển mức tín hiệu ở

8 cổng ra (từ chân 11 tới chân 18) nối với động cơ

Bộ tạo dao động dùng thạch anh 12MHz cung cấp ngồn dao động cho

Bảng trạng thái logic đưa vào các đầu dây

1 Điều khiển cả bước

2 Điều khiển nửa bước

Half mode sequen

Sơ đồ nguyên lý module hiển thị

2.4.5 Module cảm biến

Bộ phận cảm biến của hệ thống sử dụng 4 công tắc hành trình SW1,SW2, SW3, SW4 Các công tắc nối trực tiếp vào các chân P0.0, P0.1, P0.2,P0.3 của vi điều khiển và các đầu còn lại nối xuống âm nguồn Các chân nàycủa vi điều khiển được treo lên dương nguồn thông qua các điện trở R3, R4,R5, R6 để xác định điện áp mức cao ở chân vi điều khiển khi chưa tác độngvào các công tắc Khi công tắc nào đó được tác động, chân vi điều khiểntương ứng sẽ được nối xuống âm nguồn, xác định điện áp mức thấp trên chân

vi điều khiển Thông qua vị trí đặt các công tắc và việc tác động vào các côngtắc vi điều khiển sẽ xuất tín hiệu điều khiển các module khác theo chươngtrình đã lập trình trước

Sơ đồ nguyên lý module cảm biến

2.4.6 Module nguồn

Module này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn xoay chiều 12 – 15V để