ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ bước

- Mạch điều khiển động cơ bước là sự kết hợp của môn học kĩ thuật số và kỹ thuật tươngtự, sơ đồ mạch khá là đơn giản, những phần tử trong mạch được bán rất nhiều trên thitrường, giá th

Hưng Yên- 2021

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án Kỹ thuật điện tử, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Xuân Công, giảng viên Bộ

môn Cơ Điện Tử- Trường ĐH SPKT HY là người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo emtrong suốt quá trình làm đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐH SPKT HY nóichung, các thầy cô trong Bộ môn Cơ Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức vềcác môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyếtvững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô, gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điềukiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án

kỹ thuật điện tử

, ngày tháng năm 2021.

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

- Mạch điều khiển động cơ bước là sự kết hợp của môn học kĩ thuật số và kỹ thuật tương

tự, sơ đồ mạch khá là đơn giản, những phần tử trong mạch được bán rất nhiều trên thitrường, giá thành rẻ và đặc biệt ứng dụng của mạch là rất cao

- Mạch điều khiển động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúngđược ứng dụng trong các thiết bi cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điềukhiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển đinh vi trong các hệ quan trắc, điểukhiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bigia 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 đĩamềm, máy in

2 Đối tượng nghiên cứu:

“ Động cơ bước”

3.Mục đích nghiên cứu.

- Tìm hiểu nguyên lý, chức năng và tác dụng của động cơ bước

- Tìm hiểu được các chức năng, tác dụng của cá linh kiện thiết bi điện tử

- Hoàn thành sản phẩm là mạch điều khiển động cơ bước: quay thuận, quay nghich và quay nhanh, quay chậm

- Rèn luyện cho sinh viên cách tự học, đi đôi với thực hành và khả năng làm việc nhóm

Nhìn từ trái qua phải thì lần lượt là chân số 1, 2, 3 của IC.

- Chân số 1: Input (chân vào)

- Chân số 2: GND (nối mass)

- Chân số 3: Output (chân ra)

1.1.2 Chức năng

IC 7805 thuộc họ IC78xx là họ IC ổn áp có chức năng tạo điện áp ở đầu ra cố đinh ở mức(+) xx V

- 78 là họ IC lấy ra điện áp dương (+)

- XX là 2 số của điện áp lấy ra

Do vậy :7805 là IC ổn áp lấy ra điện áp +5 V

Hình 1.2: Sơ đồ mắc IC 7805

Lưu ý: điện áp đầu vào của IC phải lấy lớn hơn điện áp đầu ra 3V trở lên Ví dụ IC 7805thì Vin phải 8V trở lên

1.1.3 Ứng dụng

Dòng cực đại có thể duy trì 1A.

Dòng đỉnh 2,2A

Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

1.2 IC NE555

1.2.1 Sơ đồ chân

Hình 1.3: Sơ đồ chân IC NE555

- Chân số 2 (trigger): ngõ vào của một tần số áp mức áp chuẩn là 2/3*vcc

- Chân số 3(outpt): ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác đinh theo mức áp cao (gần bằng mức áp

chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân số 1 )

- Chân số 4(reset): dùng làm đinh mức trạng thái ra khi chân số 4 nối mát thì ngõ ra ở mức

thấp khi chân 4 ở mức cao thì trạng thái ngõ ra theo điện áp chân số 2 và 6

- Chân số 5: dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng điện trở ngoài cho nối mát Tuy nhiên hầu hết các mạch điện chân số 5 nối qua 1 tụ

không phân cực 0.01uf-0,1uf, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn và luônổn đinh

- Chân số 6: là ngõ và cưa 1 tầng so áp khác mức áp chuẩn là Vcc/3

- Chân số 7: có thể xem như là một khóa điện và chiu điều khiển bởi tầng logic khi chân số 3

ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại ,ngược lại thì nó mở ra chân số 7 tự nạp xả điện chomach R –C như 1 tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp nguồn nuôi IC nguồn nuôi cho IC555 trongkhoảng từ +5v+15v

1.2.2 Một vài thông số

- Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )

- Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

- Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

- Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

- Công suất tiêu thụ (max) 600mW

1.2.3 Chức năng của 555

- Tạo xung

- Điều chế được độ rộng xung (PWM)

- Điều chế vi trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

1.2.4 Tính tần số điều chế độ rộng xung của 555

7

Hình 1.4: Mạch tạo dao động dùng NE555

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung

- Tần số của tín hiệu đầu ra là f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))

- Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f

- Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì t1 = ln2 (R1 + R2).C

- Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì t2 = ln2.R2.C

- Như vậy trên là công thức tổng quát của 555 ví dụ: để tạo được xung dao động là f =1.5Hz Đầu tiên tôi cứ chọn hai giá tri đặc trưng là R1 và C2 sau đó ta tính được

R1 Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k

Bảng 1.2: Một số thông số của IC NE555

* Chú thích:

- Supply Voltage: Nguồn cung cấp

- Supply Current (Low Stable): Dòng cung cấp

- Low Output Voltage: điện áp ra ở mức thâṕ

- High Output Voltage: điện áp vào ở mức cao Control Voltage: điện áp chânControl

- Threshold Voltage: điện áp chân Threshold

- Reset Current: dòng ở chân reset

- Reset Voltage: điện áp chân reset

9

1.3.2 Bảng trạng thái

Bảng 1.3: Bảng trạng thái IC 74LS193

Mô tả:

11

Hình 1.6: Giản đồ xung IC 74LS193

- Tại thời điểm t0 các FF của bộ đếm đều ở mức 0 LOW)  TCU ở mức 1 (HIGH)

- Ngay trước thời điểm t1, ngõ nhập PL có một xung mức 0 (LOW) các chân ngõ xuấtQ3– Q0 sẽ được nạp giá tri của các ngõ nhập P3– P0 giá tri các ngõ xuất Q sẽ là 1011

- Tại t1, ngõ nhập CPU tích cực cạnh lên (PGT), nhưng bộ đếm không thể đáp ứng lại dotín hiệu PL vẫn còn ở trạng thái tích cực

- Tại t2, t3, t4và t5, bộ đếm đếm lên tại các cạnh lên của CPU

- Sau thời điểm t5, trạng thái bộ đếm là 1111 nhưng TCUchưa xuống mức 0 (LOW) chođến thời điểm CPU xuống 0 tại t6

- Tại cạnh lên tiếp theo của CPU, bộ đếm về trạng thái 0000

1.3.3 Chức năng

– Bộ đếm lên/xuống đồng bộ MOD-16

– Hỗ trợ chức năng Preset bất đồng bộ và Master reset bất đồng bộ

1.3.4 Ứng dụng

Kết hợp với bộ giải mã để cung cấp tín hiệu theo trình tự thời gian cho thiết bi làm bộđếm cho mạch đếm sản phẩm hoặc số người ra vào siêu thi, mạch điều khiển đèn giaothông tại ngã tư

- Chân 1, 2, 3 là các chân đầu vào lần lượt kí hiệu là A0, A1, A2

- Chân 4, 5, 6 là các chân điều khiển

- Chân 15, 14, 13, 12, 12, 10, 9, 7 là 8 đầu ra lần lượt kí hiệu là Y0 đến Y7

1.4.2 Chức năng

- Đây là bộ giải mã 3 sang 8 đường loại vi mạch hay mạch có 3 ngõ vào và 8 ngõ ra, cònđược gọi là mạch giải mã nhi phân sang octal (binary to octaldecoder) , với ngõ ra tíchcực ở mức 1

- 74LS138 có công dụng dich bit logic 0 từ trên xuống và từ dưới lên theo mã BCD.Nóhay được dùng để hỗ trợ quét

- 74138 là Bộ giải mã/ Bộ phân kênh với đầu vào CS1 được chọn làm dữ liệu đầu vào, 2đầu vào còn lại: CS2, CS3 duy trì ở trạng thái tích cực Mã đia chỉ là các đầu A0, A1, A2.

Hình 1.8: Sơ đồ logic của IC74138

IC 74138 chỉ cho phép các Ngõ ra biến đổi theo sự thay đổi của các Bit ngõ vào khi vàchỉ khi G1 = 1 và G2 = 0.Nếu G2 = 1 hoặc G1 = 0 thì các Ngõ ra đều bi khóa ở mức cao

Bảng 1.4: Bảng trạng thái IC 74138

Theo Bảng trạng thái logic nói trên, khi các chân lệnh cho phép xuất kết quảđến ngõ ra thì trong bất kỳ trường hợp nào thì cũng chỉ có trong 8 ngõ ra ( từ đếnđược đặt ở mức thấp sao cho giá tri n của ngõ ra tương đương với giá tri của ngõvào

Bảng 1.5: Một số thông số của IC 74138

- Ic 7414 đều là cổng NOT dùng để đảo trạng thái đầu vào.

- IC 7414 còn là loại chuyên mạch trigger, tức là chỉ chuyển trạng thái khi điện áp vượtngưỡng điện áp cho phép

Triger sử dụng trong một trường hợp tiêu biểu như sau:

Ic thường nhận hai kiểu tín hiệu là mức 0 tương đương với điện áp 0V, và mức 1

là điện áp 5V Nhưng nếu điện áp đầu vào là điện áp giao động, thường là một giá tri giữa0V và 5V thì sẽ không biết IC xử lý theo mức 1 hay là mức 0 Vì vậy để đảm bảo việc xử

lý tín hiệu đầu vào tốt hơn, các IC kiểu trigger sẽ đặt ra hai điện áp giới hạn trên và dưới,

ví dụ giới hạn trên là 3.5V và giới hạn dưới là 0.8V Nếu trước đó, IC đang hiểu tín hiệuđầu vào là mức 0, thì IC chỉ chuyển sang hiểu tín hiệu đầu vào là mức 1 khi điện áp vượtqua giới hạn trên là 3.5 V Và lúc này, muốn IC hiểu tín hiệu đầu vào là mức 0, thì điện ápphải hạ xuống dưới giới hạn dưới, tức là dưới 0.8V thì IC mới công nhận tín hiệu đó là ởmức 0

1.6 Động cơ bước

1.6.1 Giới thiệu chung

Động cơ bước là loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa sốcác động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biếnđổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyểnđộng góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố đinh rôto vào các vi trí cầnthiết Về 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

1.6.2 Phân loại

Về cơ bản có 3 loại động cơ bước: loại từ trở biến đổi (Variable Reluctance), loạinam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid) Chúng khác nhau ở cấu tạotrong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu và/hoặc lõi sắt với các lá thép stato Loại cótừ trở biến đổi (Variabke Reluctance) Thông thường có 3 hoặc 4 cuộn dây được nốichung một đầu Đầu chung đựơc nối với nguồn dương, các đầu cũn lại cho thụng với đấtđể quay Rotor Cả Stator và Rotor đều có răng Rotor được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắtnon) có từ trở thay đổi theo góc quay, Chiều quay của động cơ không phụ thuộc vàochiều dũng điện mà chỉ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuôn dây Loại động cơnày có số bước lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm nhưng momet đồng bộ nhỏ

Hình 1.10: Động cơ có từ trở biến đổ

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

Loại lai (Hybrid).Loại động cơ này về cấu tạo giống với động cơ bước kiểu đơncực Tuy nhiên chỉ có 4 đầura So với động cơ kiểu đơn cực cỡ loại này khụng cú hai đầu

ra ở điểm giữa mỗi cuộn dây Ưu điểm của động cơ bước loại này là dòng điện chạy qua

cả cuộn dây (cuộn 1, cuộn 2) vỡ vậy tạo được mômen lớn

Hình 1.11: Động cơ loại lai Hybrid

Loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu, điềunày cho phép duy trì được momen khi động cơ bi mất năng lượng cấp vào Động cơ bướcnam châm vĩnh cửu yêu cầu công suất thấp hơn để hoạt động Chúng cũng có đặc tínhchống rung tốt hơn Góc bước của loại này có nhiều mức: 60-450 Trên là sơ đồ cấu tạocủa động cư bước nam châm vĩnh cửu với m=4 và 2p=2

-Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được chia thành:

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

-Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor)

-Động cơ bước kiểu hỗn hợp (Hybrid stepping Motor)

-Động cơ bước kiểu bối dây kép (Bifilar Stepper Motor)

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

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

Hình 1.12: Động cơ loại nam châm vĩnh cửu

1.6.4 Chế độ hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước có ba chế độ hoạt động: full step, half step và micro step

FULL STEP

Động cơ hybrid có 200 răng rotor, hoặc 200 bước mỗi cuộc cách mạng của trụcđộng cơ Chia 200 bước vào 360 º quay bằng 1,8 góc bước º đầy đủ Thông thường, fullstep đạt được năng lượng cả hai cuộn dây trong khi đảo ngược dòng luân phiên Về cơbản một xung với trình điều khiển kỹ thuật số là tương đương với một bước

HALF STEP

Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ bước quay ở 400 bước mỗi vòng Trongchế độ này, một cuộn dây được năng lượng và sau đó hai cuộn dây phải được cấp điệnluân phiên, làm nam châm ở nửa khoảng cách hoặc 0,9 º Mặc dù nó cung cấp mô-menxoắn ít hơn khoảng 30% nhưng chế độ Half step tạo ra một chuyển động mượt mà hơn sovới chế độ FULL STEP

1.6.5 Phương pháp điều khiển

- Điều khiển full step: là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây

pha kế tiếp nhau

Bảng 1.6: a) Điều khiển full step khi kích từng cuộn một

b) Điều khiển full step khi kích 2 cuộn một

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

- Điều khiển nửa bước: là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển

dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá tri gócbước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương phápđiều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp

Bảng 1.7: Điều khiển haft step

 Chọn loại động cơ: Điều khiển full step( 1 bước).

1.6.6 Ưu ,nhược điểm của động cơ bước.

Ưu điểm

- Mô men ở chế độ giữ lớn

- Điều khiển dễ dàng, chính xác, động cơ bước có chế độ chính xác 3-5% của mỗibước và không tích lũy sai số sang bước tiếp theo

- Dễ dàng khởi động, dừng và đảo chiều quay của động cơ

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

- Chế tạo động cơ đơn giản, ít tốn kém, dễ điều khiển - Tốc độ quay tỉ lệ tần số xungđầu vào

Nhược điểm

- Rất khó để hoạt động ở tốc độ cao

- Cần phải chế tạo bộ điều khiển, nên tốn chi phí

1.6.7 Ứng dụng

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng sốĐộng cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụngtrong các thiết bi cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cựtrong các hệ quang học, điều khiển đinh vi trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bámmục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bi gia công cắt gọt,điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

Chương 2:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO

CHIỀU ĐỘNG CƠ BƯỚC2.1 Sơ đồ khối

Xây dựng và triển khai như sơ đồ khối đã nêu ở phần mở đầu

2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch và nguyên lý hoạt động

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Điện áp xoay chiều 220V được hạ áp bằng máy biến áp 12V/1A sau đó quadiot chỉnh lưu cầu thành điện áp 1 chiều ic ổn áp 7805 để ổn đinh điện áp +5V cungcấp cho mạch động lực và mạch điều khiển

Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Đồ án Kĩ Thuật Điện TửKhoa: Cơ Khí

Quay thuận: lấy xung CLOCK từ chân 3 của IC NE555 Gạt công tắc đê xungCLK kích vào chân 5(count up) của IC74193 lúc này bộ đếm đồng bộ 4 bit nhi phânbắt đầu đếm từ trạng thái 0000 đầu ra QA và QB được đưa tới 2 đầu vào A, B của IC74LS138 bộ giải mã bắt đầu hoạt động Đầu ra Y0 của IC74138 ở mức 0(các đầu racòn lại ở mức 1) cồng not của IC 7414 đảo trạng thái 01 kích vào cuộn của động cơquay bước1 Tiếp theo bộ đếm thực hiện đếm tới 0001 thì đầu A B C của 74138 là

100, lúc này Y1 ở mức 0 (các đâu ra còn lại ở mức 1) qua cổng đảo thành mức 1kích cho kích vào cuộn của động cơ quay bước 2 Cứ như vậy khi đếm tới 0011 thìđộng cơ quay xong bước 4 Khi đếm tới 0100,1000,1100 thì quá trình quay cácbước lặp lại

Quay nghich: tương tự như quay thuận xung CLK kích vào chân 4 của 74193để thực đếm lùi từ 1111 về 0000 làm động cơ quay ngược Để tăng giảm tốc độ củađộng cơ ta thay đổi giá tri biến trở VR12

2.3 Tính toán, chọn lựa linh kiện

2.3.1 Khối động lực

Động cơ bước được sử dụng ở đây là động cơ nam châm vĩnh cửu với / step vàUđm= 5V, Iđm= 1A

Công suất cực đại của động cơ: Pmax=U.I=5 1=5 W

Do vậy ta có thể chọn U= 5V và I=1A

 Công suất động cơ là P=5.1=5 W

Chạy không tải Tần số> 600Hz

Không kéo ra ngoài Tần số> 1000Hz

Mô-men xoắn kéo vào> 34,3mN.m (120Hz)