CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về đề tài
Động cơ bước đóng vai trò quan trọng trong điều khiển kỹ thuật số và tự động hóa nhờ khả năng thực hiện chính xác các lệnh số Với tính năng này, động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển số Đề tài của em sẽ được chia thành 3 chương, trong đó phần tổng quan sẽ cung cấp cái nhìn chi tiết về vai trò và ứng dụng của động cơ bước.
Chương 1 tìm hiểu các kiến thức tông quan về dòng vi điều khiển PIC, các điểm vượt trội và các cơ chế xử lý lệnh trong PIC Các dòng PIC và cách lựa chọn PIC phù hợp cho ứng dụng nghiên cứu của người dùng cũng sẽ được giới thiệu Nội dung chương này cũng đề cập đến vi điều khiển PIC 16F877A làm tiền đề cho việc thiết kế thi công sản phẩm được trình bày ở chương 3 Ngoài ra, nội dung khác quan trọng trong chương này đó là giới thiệu về động cơ bước Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số,động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiện bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số, động cơ bước được ứng dụng nhiều trong nghành Tự động hóa,chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác như: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học,… ở đây các khái niệm về động cơ bước sẽ được đưa ra giới thiệu cũng như cấu tạo, vai trò, phân loại động cơ, so sánh giữa các loại động cơ đó
Chương 2 là phần thiết kế của đề tài,trước tiên bài toán được đặt ra của đề tài sẽ được phân tích cụ thể để tìm ra các mụch đích chính và yêu cầu thiết kế đối với bài toán Sau đó sẽ phân tích nguyên lí hoạt động của loại động cơ bước đề tài này chọn thiết kế, đó là động cơ bước lưỡng cực,và tiến hành thiết kế ra sản phẩm qua sử dụng các phần mềm như proteus để vẽ mạch in và mô phỏng để tiến tới chế tạo sản phẩm thực tế
Chương 3 là phần chính, phần thiết kế chi tiết và thi công, các thành phần của mạch như là khối điều khiển trung tâm, khối nguồn,khối phím nhấn,khối LCD được thiết kế cụ thể và đưa ra sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước, chương trình điều khiển được tham khảo ở một số tài liệu Cuối cùng đưa ra sản phẩm được chế tạo thành công và nhận xét về sự ổn định trong khi hoạt động
Vi điều khiển PIC 16F877A
1.2.1 Kiến trúc chung của PIC
The PIC organization is structured based on Harvard architecture, commonly referred to as RISC (Reduced Instruction Set Computer), which features a streamlined instruction set for enhanced efficiency.
Hình 1.1 : Cấu trúc tổ chức bộ nhớ và sơ đồ chân
Trong kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình được tách biệt thành hai phần riêng biệt, cho phép CPU tương tác với cả hai loại bộ nhớ cùng một lúc Sự tách biệt này giúp cải thiện đáng kể tốc độ xử lý của vi điều khiển.
Bộ nhớ chương trình của PIC là bộ nhớ flash
Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia làm nhiều bank
Tập lệnh trong kiến trúc Harvard có thể được tối ưu hóa theo yêu cầu của vi điều khiển mà không bị ràng buộc bởi cấu trúc dữ liệu.
Trong đó, PIC16F877 thuộc về một họ của microcontrollers 8- bít của kiến trúc RISC
Hình 1.2: Các cổng vào ra của pic16f877A
1.2.2 Các cổng ra vào của PIC 16F877A
Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập, bao gồm PORT A, PORT B, PORT C, PORT D, PORT E
PORT A (RPA) có 6 chân I/O, hoạt động như chân hai chiều (bidirectional pin), cho phép xuất và nhập dữ liệu Chức năng I/O này được điều khiển thông qua thanh ghi TRISA tại địa chỉ 85h.
PORT A serves as the output for the ADC module, the comparator, the ANALOG input, the clock input for Time0, and the input for the MSSP (Master Synchronous Serial Port) communication module.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PORT A bao gồm:
PORTA ( địa chỉ 05h) : chứa các giá trị các pin trong PORT A
TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập
CMCON(địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh
CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp
ADCON1(địa chỉ 9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC
Bảng 1.1 : Tóm lược các thanh ghi trong PORT A
PORT B (RPB) gồm 8 I/O pin Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB
Bảng 1.2 : Tóm lược các thanh ghi trong PORT B
PORT B được sử dụng để nạp chương trình cho vi điều khiển với nhiều chế độ khác nhau, đồng thời liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0 Ngoài ra, PORT B còn tích hợp chức năng điện trở kéo lên, có thể được điều khiển thông qua chương trình.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTB bao gồm:
PORTB (địa chỉ 06h, 106h) : chứa giá trị các pin trong PORT B
TRISB (địa chỉ 86h, 186h) : điều khiển xuất nhập
OPTION_NEG (địa chỉ 81h, 181h) : điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer0
PORT C (RPC) gồm 8 I/O pin Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC
PORT C chứa các chân chắc năng của bộ so sánh, bộ Timer1, bộ PWM và các chuẩn giao tiếp nối tiếp 12C, SPI, SSP, USART
Bảng 1.3 : Tóm lược các thanh ghi trong PORT C
Các thanh ghi điều khiển liên qua đến PORT C bao gồm:
PORTC (địa chỉ 07h) : chứa giá trị các pin trong PORT C
TRISC (địa chỉ 87h) : điều khiển xuất nhập
PORT D (RPD) gồm 8 chân I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISD
PORT D là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel slave Port)
Bảng 1.4 : Tóm lược các thanh ghi trong PORT D
Các thanh ghi liên quan đến PORT D bao gồm:
PORTD : chứa giá trị các pin trong PORT D
TRISD : điều khiển xuất nhập
TRISE : điều khiển xuất nhập PORT E và chuẩn giao tiếp PSP
PORT E (RPE) gồm 3 I/O pin Các chân này có ngõ vào analog Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE
PORT E còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP
Bảng 1.5 : Tóm lược các thanh ghi trong PORT E
Các thanh ghi liên quan đên PORT E bao gồm:
PORTE : chứa giá trị các pin trong PORT E
TRISE : điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSP
ADCON1 : thanh ghi điều khiển khối ADC
Timer 0 Là bộ định thời hoặc bộ đếm có đặc điểm nổi bật:
+ Có khả năng đọc và viết
+ Có thể dung đòng hồ trong hoặc ngoài
+ Có thể chọn cạnh xung của xung đồng hồ
+ Có hệ số chia cho xung đầu vào và có thể lập trình lại bằng phần mềm
RBP0 INTEDG TOCS TOSE PSA PS2 PS1 PS0
Bit 5: TOCS :lựa chọn nguồn clock
1=Clock ngoài từ chân TOCKI
Bit 4: TOSE :lựa chọn sườn sung cloxk
1=Timer 0 khi chân Tock từ cao xuống thấp
0=Timer 0 khi chân Tock từ thấp lên cao
Bit 3: PSA bít gắn bộ chia xung đầu vào
1=gán bộ chia Prescaler cho WDT
0=gán bộ chia cho Timer 0
Bit2:0 PS2:PS1 lựa chọn hệ số chia xung vào theo bảng 2.6 sau
Bảng 1.6 : Bảng lựa chọn hệ số chia xung
Ngắt trong Timer 0 xảy ra khi thanh ghi TMR0 bị tràn, tức là từ FFh quay về 00h, dẫn đến việc bit TOIF trong thanh ghi INTCON được đặt Để cho phép ngắt, bit TOIE trong thanh ghi INTCON phải được set và bit TOIF cần được xóa bằng phần mềm Lưu ý rằng khi bộ vi xử lý ở chế độ SLEEP, ngắt Timer 0 sẽ không đánh thức được nó.
Timer 1 có thể là bộ đếm hoặc là bộ định thời:
+ 16bit :gồm 2 thanh ghi TMR1H ,TMR1H
+ Có khả năng đọc và viết
+ Có thể chọ xung đồng hồ trong hoặc ngoài
+ Có thể ngắt khi tràn
Timer 1 có 1 thanh ghi điều khiển là T1CON Bộ Timer 1 có hoạt động hay không là do việc đặt hay xóa bít TMR1ON(T1CON)
Nó có thể hoạt động ở 1 trong các chế độ sau:
+ Là 1 bộ định thời 16bit
+ Là 1 bộ đếm đòng bộ
+ Là 1 bộ đếm không đồng bộ
Phương thức hoạt động của Timer 1 được xác định bởi nguồn xung vào, được lựa chọn thông qua việc đặt hoặc xóa bit TMR1 CS (T1CON).
+ Chế độ bộ định thời: đầu vào là clock trong Fosc/4, bit đồng bộ T1SYNC(T1CON) không có tác dụng vì xung trong clock luôn đồng bộ
Chế độ bộ đếm đồng bộ cho phép xung vào xóa bit T1SYNC (T1CON), với việc tăng giá trị mỗi khi có sườn lên tại chân RCO hoặc RC1 Nếu bit T1OSCEN bị xóa, xung sẽ được đồng bộ với clock nội bộ Lưu ý rằng bộ đếm sẽ không tăng trong trạng thái ngủ.
Chế độ đếm không đồng bộ cho phép bộ đếm tăng mỗi khi có xung lên tại chân RCO hoặc RC1, miễn là bit T1OSCEN không được kích hoạt Trong chế độ này, bộ đếm vẫn tiếp tục hoạt động ngay cả khi vi xử lý ở trạng thái SLEEP và có khả năng gây ra ngắt khi tràn, giúp đánh thức bộ vi xử lý.
Mạch dao động trong Timer 1 được hình thành giữa hai chân T1OSI và T1OSO Khi được cung cấp công suất thấp, tần số tối đa đạt 200kHz, trong khi ở chế độ SLEEP, tần số giảm xuống còn 32kHz.
Trong Timer 1, cặp thanh ghi TMR1H và TMR1L tăng từ giá trị 0000h đến FFFFh, và khi vượt quá FFFFh, sẽ xảy ra tràn và quay lại 0000h Ngắt sẽ được kích hoạt khi tràn xảy ra, lúc này cờ ngắt TMR1IF sẽ được đặt Chức năng ngắt có thể được bật hoặc tắt bằng cách đặt hoặc xóa bit TMR11E.
Hình 1.3 : Sơ đồ khối Timer 1
Bộ Timer 2 có các dặc tính:
+ 8 bit cho bộ định thời (thanh ghi TMR2)
+ 8 bit cho vòng lặp (thanh ghi PR2)
+ Có khả năng đọc và viết
+ Có khả năng lập trình bang phần mềm tỷ lệ trước
+ Có khả năng lập trình bang phần mềm tỷ lệ sau
Chế độ SSP sử dụng đầu ra của TMR2 để tạo xung clock Timer 2 được điều khiển thông qua thanh ghi T2CON, và có thể được tắt bằng cách xóa bit TMR2CON trong thanh ghi này.
Hình 1.4: Sơ đồ khối Timer 2
Hoạt động của Timer 2 chủ yếu tập trung vào việc điều chế xung trong bộ CCP Thanh ghi TMR2 có khả năng đọc và viết, đồng thời có thể được xóa bằng cách reset thiết bị Đầu vào của xung có thể được chọn với các tỉ lệ 1:1, 1:2, và 1:16, trong đó việc chọn tỉ lệ được điều khiển bởi các bít T2CKPS1 và T2CKPS2.
Bộ Timer 2 có thanh ghi 8 bit PR2, giúp tăng từ 00h đến giá trị khớp với PR2 Khi đạt đến giá trị này, Timer 2 sẽ tự động reset về 00h và tiếp tục thực hiện lệnh kế tiếp Thanh ghi PR2 bắt đầu từ giá trị đầu ra của TMR2, đóng vai trò quan trọng trong việc phát các xung đồng bộ qua cổng truyền thông.
1.2.4 Các nguồn ngắt trong PIC
Hình 1.5 : Sơ đồ nguồn ngắt trong PIC
IE :là cho phép kích hoạt một loại ngắt nào đó xảy ra hay không
IF :là các cờ ngắt
Kết luận
Hình 2.1 Sơ đồ khối -Khối hiển thị: hiển thị thông tin tới người sử dụng, tạo giao diện phù hợp cho người sử dụng
-Khối bàn phím: thực hiện chức năng nhập các dữ liệu đưa đến vi điều khiển
Khối vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý thông tin, nhận dữ liệu từ bàn phím và điều khiển động cơ bước Nó cũng đảm bảo hiển thị thông tin trên màn hình LCD và thông báo cho người dùng một cách hiệu quả.
-Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
-Động cơ: hoạt động theo đúng tín hiệu điều khiển qua mạch driver
Mạch điều khiển động cơ bước đã được thiết kế và chế tạo thành công, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định Nhờ vào điều này, người dùng có thể kiểm soát hiệu quả các động cơ bước khác trong các hệ thống thực tế.
Tăng cường khả năng nghiên cứu và tự học cho bản thân là rất quan trọng, vì điều này không chỉ giúp tác giả phát triển kỹ năng cá nhân mà còn mở ra nhiều cơ hội học tập và nghiên cứu thực tế trong môn học.
2.2.2 Các yêu cầu của đề tài
- Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A làm trung tâm xử lý
- Chương trình điều khiển được viết trên một thuật toán được xây dựng một cách tối ưu.
PHÂN TÍCH,LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Sơ đồ khối
Hình 2.1 Sơ đồ khối -Khối hiển thị: hiển thị thông tin tới người sử dụng, tạo giao diện phù hợp cho người sử dụng
-Khối bàn phím: thực hiện chức năng nhập các dữ liệu đưa đến vi điều khiển
Khối vi xử lý có nhiệm vụ xử lý thông tin, nhận dữ liệu từ bàn phím, điều khiển động cơ bước và hiển thị thông tin trên màn hình LCD, đồng thời thông báo cho người dùng.
-Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
-Động cơ: hoạt động theo đúng tín hiệu điều khiển qua mạch driver
Phân tích bài toán
Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công mạch điều khiển động cơ bước với hiệu suất chính xác và ổn định Mạch này có khả năng điều khiển các động cơ bước khác trong các hệ thống thực tế, đảm bảo hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.
Tăng cường khả năng nghiên cứu và tự học cho bản thân là rất quan trọng, giúp tác giả có cơ hội thực hành và áp dụng kiến thức môn học một cách hiệu quả Việc này không chỉ nâng cao kỹ năng nghiên cứu mà còn mở ra nhiều cơ hội học tập và phát triển bản thân trong lĩnh vực chuyên môn.
2.2.2 Các yêu cầu của đề tài
- Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A làm trung tâm xử lý
- Chương trình điều khiển được viết trên một thuật toán được xây dựng một cách tối ưu
- Mô hình động cơ phải đơn giản, gọn gàng, có khả năng mở rộng và ứng dụng vào thực tế …
- Hệ thống hoạt động chính xác, đảm bảo độ tin cậy Hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm có sự thay đổi.
Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
Động cơ bước là thiết bị cơ điện chuyển đổi xung điện thành chuyển động cơ học rời rạc, với trục quay theo từng bước khi nhận xung điều khiển theo trình tự hợp lý Sự quay của động cơ phụ thuộc vào các xung áp vào, trong đó trình tự xung xác định hướng quay và tần số xung quyết định tốc độ quay Chiều dài vòng quay tương ứng với số lượng xung được áp dụng.
Hình 2.3 Một số mẫu động cơ bước trong thực tế Động cơ bước
Động cơ bước, được ứng dụng lần đầu vào năm 1935, đã trải qua nhiều cải tiến so với các mô hình trước đây có hiệu suất kém Ngày nay, động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như máy tính, robot, máy ghi biểu đồ, máy vẽ x-y, máy bơm, đồng hồ, bàn vẽ, van, máy công cụ, thiết bị y tế, ô tô, máy bán hàng tự động và máy quét.
Hình 2.4 : Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in
Động cơ bước là một loại động cơ điện độc đáo, khác biệt với các động cơ điện thông thường nhờ nguyên lý hoạt động và ứng dụng riêng biệt Đây là động cơ không đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành các chuyển động góc quay hoặc di chuyển roto đến các vị trí cố định Có thể coi động cơ bước là sự kết hợp của hai loại động cơ khác nhau.
1 Động cơ một chiều không tiếp xúc
2 Động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ
Hình 2.5:Cấu tạo động cơ bước Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung chuyển mạch
Các mấu trong động cơ roto và stato bao gồm nam châm vĩnh cửu hoặc khối rang từ tính nhẹ, cho phép quay nhanh và dễ dàng khởi động, dừng lại ở bất kỳ vị trí nào Động cơ bước thường được sử dụng trong hệ thống vòng hở đơn giản, giúp điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh Tuy nhiên, khi tải trọng thay đổi hoặc cần điều khiển ở gia tốc lớn, hệ thống vòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ sẽ được ưu tiên sử dụng.
Động cơ bước đóng vai trò quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số và tự động hóa nhờ khả năng thực hiện chính xác các lệnh số Nó cho phép điều khiển quay một góc bất kỳ và dừng lại ở vị trí mong muốn, do đó, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển số.
Động cơ bước đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như máy CNC, máy in, ổ cứng, ổ đĩa quang và robot, nhờ vào khả năng cung cấp cơ cấu chuyển động chính xác và êm ái Ưu điểm của động cơ bước bao gồm độ chính xác cao và khả năng kiểm soát vị trí tốt.
+ ) Mô men ở chế độ giữ lớn
+ ) Điều khiển dễ dàng, chính xác, động cơ bước có độ chính xác 3-5 % của mỗi bước và không tích lũy sai số sang bước tiếp theo
+ ) Dễ dàng khởi động, dừng và đảo chiều quay của động cơ
+ ) Chế tạo động cơ đơn giản, ít tốn kém, dễ điều khiển
+ ) Tốc độ quay tỉ lệ tần số xung đầu vào
+ ) Rất khó để hoạt động ở tốc độ cao
+ ) Cần phải chế tạo bộ điều khiển,nên tốn chi phí
Phân loại động cơ bước Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các 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
Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:
- Động cơ bước đơn cực
- Động cơ bước lưỡng cực
Hình 2.6 : Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước
Các loại rotor và stator được phân loại theo hai phương pháp cấu tạo Phương pháp thứ nhất, như trong Hình 1.3a, sử dụng rotor với các răng bình thường và stator có các răng tương tự để giữ cuộn dây Trong khi đó, phương pháp thứ hai, thể hiện trong Hình 1.3b, có mặt răng của rotor và stator với nhiều răng nhỏ hơn, giúp tạo ra các góc bước nhỏ hơn, mang lại những ưu điểm nhất định.
Động cơ bước từ trở biến thiên
Động cơ bước từ trở biến thiên sử dụng rotor bằng thép mềm, với rotor quay khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator, tương tự như hoạt động của cuộn solenoid Rotor bằng thép có quán tính nhỏ, giúp tăng tốc độ phản ứng Tuy nhiên, do rotor không có từ tính, nên không có lực từ dư khi động cơ không được cấp điện, cho phép rotor quay tự do Thông thường, các góc bước của động cơ này là 7,5 độ hoặc 15 độ.
Hình 2.7 : Động cơ bước từ trở
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được trang bị rotor nam châm vĩnh cửu, giúp duy trì mô men khi không có nguồn điện Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được sắp xếp theo trục, với các cực nam và bắc thay đổi liên tục.
Hình 2.8: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Một số động cơ bước được trang bị nam châm trong stator nhằm cải thiện trường điện từ và cung cấp mô men cao hơn Các nam châm này có thể được làm từ hợp kim nhôm, nickel, cobalt hoặc chất liệu đất hiếm như samarium-cobalt Động cơ bước nam châm vĩnh cửu yêu cầu công suất vận hành thấp hơn so với các loại khác và có khả năng chống rung tốt hơn Các góc bước của chúng có thể được tìm thấy trong nhiều tùy chọn tiêu chuẩn, bao gồm 1,8°, 7,5°, 30°, 45° và 90°.
Động cơ bước lai kết hợp đặc điểm của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu, với một nam châm vĩnh cửu nhỏ bọc quanh trục Khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu, động cơ này có một đầu rotor là cực bắc và đầu còn lại là cực nam Rotor được thiết kế với răng cắt thành hai chén lõi thép gắn chặt ở mỗi đầu, và động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai Với nhiều răng hơn, động cơ bước lai mang lại mô men lớn hơn, với các góc bước tiêu biểu là 0,9° và 1,8°.
Hình 2.9 : Động cơ bước lai
Hiện nay, động cơ bước được sử dụng phổ biến bao gồm động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8 độ Độ chính xác của hầu hết các động cơ bước đạt khoảng 3% góc bước, và có thể được cải thiện nhờ vào việc sử dụng các góc bước nhỏ hơn.
Bảng 2.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước
Loại động cơ bước Góc bước tiêu biểu
Động cơ bước đơn cực
Quấn dây đơn cực là một phương pháp phổ biến, bao gồm hai cuộn dây trên một cực, được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng lượng, cực bắc của nam châm được tạo ra, và khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng, cực nam xuất hiện Phương pháp này được gọi là đơn cực vì dòng điện từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều, giúp đơn giản hóa thiết kế mạch điện tử Tuy nhiên, mô men sinh ra từ kiểu quấn dây này giảm khoảng 30% so với quấn dây lưỡng cực.
Hình 2.10 : Động cơ bước đơn cực
Một số động cơ bước được thiết kế với hai cuộn dây tách biệt trên mỗi pha, ví dụ như loại có 8 dây Người dùng có thể chọn cách nối lưỡng cực hoặc đơn cực cho động cơ, và chúng được gọi là động cơ bước đa năng.
Hình 2.11 : Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý
Động cơ bước lưỡng cực
Mỗi pha của hệ thống điện bao gồm một cuộn dây duy nhất, và khi dòng điện trong các cuộn dây được đảo chiều, cực tính điện từ cũng sẽ thay đổi Sơ đồ quấn dây lưỡng cực và ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý là những yếu tố quan trọng trong việc hiểu cấu trúc và hoạt động của hệ thống này.
Hình 2.12 : Động cơ bước lưỡng cực
Nguyên tắc hoạt động
Động cơ bước hoạt động theo cơ chế quay từng bước, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng sử dụng các bộ chuyển mạch điện tử để truyền tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rôto được xác định bởi số lần chuyển mạch, trong khi chiều quay và tốc độ quay của rôto lại phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.
Động cơ bước hoạt động dựa trên việc nhận tín hiệu xung và không có bộ chuyển mạch bên trong, do đó, toàn bộ mạch đảo chiều phải được điều khiển bên ngoài thông qua bộ điều khiển.
Tại mỗi thời điểm, chỉ có một hoặc hai cuộn dây được cấp điện, tùy thuộc vào phương pháp điều khiển là đầy bước hoặc nửa bước Khi trạng thái cấp xung thay đổi, moment xoắn sẽ được sinh ra, dẫn đến việc roto quay.
Để điều khiển chiều quay của động cơ, bạn cần thay đổi thứ tự cấp xung Chẳng hạn, nếu động cơ đang ở bước thứ 8 và bạn cấp xung cho bước thứ 7, động cơ sẽ quay ngược lại.
- Điều khiển tốc độ:thay đổi độ rộng xung và tần số xung
V: vận tốc trung bình của động cơ bước (vòng/giây) n: số lần dịch bước t: thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước (giây) q: góc bước của động cơ (độ) f : tần số dịch bước
Hình 2.13: Cơ cấu quay của roto
Trong bài viết này, tôi sử dụng động cơ bước 4 pha với 5 dây điều khiển Trong số 5 dây, 4 dây được kết nối với 4 cuộn dây của động cơ, trong khi 1 dây là nguồn chung cho cả 4 cuộn Mỗi bước quay của động cơ tương ứng với một góc 5.625º, do đó để hoàn thành một vòng quay, động cơ cần thực hiện 64 bước.
Có 3 cách điều khiển động cơ bước:
Điều khiển đủ bước a Một pha
Tại mỗi thời điểm chỉ có 1 mấu được cấp điện step 1a 1b 2a 2b
Tại mỗi thời điểm chỉ có 1 mấu được cấp điện step 1a 1b 2a 2b
Khi không có phần nào của mạch từ bão hòa, việc cấp điện đồng thời cho hai mấu động cơ tạo ra một moment xoắn tổng hợp, là tổng của các moment xoắn riêng lẻ của từng mấu Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong moment xoắn sẽ lệch pha S radians Nếu dòng điện qua hai mấu là như nhau, đỉnh của moment xoắn tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians so với đỉnh của đường cong gốc Đây là nguyên lý cơ bản của điều khiển nửa bước Moment xoắn giữ được xác định là đỉnh của đường cong moment xoắn kết hợp khi hai mấu có cùng dòng lớn nhất đi qua Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp thông thường, moment xoắn giữ của hai mấu sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
Trong nghiên cứu về moment xoắn, có hai loại chính: moment xoắn giữ trên một mấu và moment xoắn giữ hai mấu Kết quả cho thấy không có phần nào trong mạch từ bị bão hòa, và moment xoắn theo đường cong vị trí của mỗi mấu thể hiện hình sin lý tưởng Hầu hết các bảng hướng dẫn liên quan đến động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở chủ yếu chỉ đề cập đến moment xoắn giữ hai mấu mà không nhắc đến moment xoắn giữ trên một mấu.
Nếu một phần nào trong mạch từ của động cơ bị bão hòa, hai đường cong mô men xoắn sẽ không cộng tuyến tính Điều này dẫn đến mô men tổng hợp không nằm chính xác tại vị trí S/2 so với vị trí cân bằng ban đầu.
Bài viết đề cập đến việc cho phép các bước nhỏ hơn bằng cách sử dụng các dòng khác nhau qua hai mấu động cơ Đối với động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, giả định rằng các mạch từ không bão hòa và các đường cong moment xoắn trên mỗi mấu theo vị trí là hình sin hoàn hảo Công thức mô tả đặc tính chủ chốt của đường cong moment xoắn tổng hợp là h = (a² + b²)⁰.⁵ và x = (S / (π/2)) arctan(b / a).
Trong nghiên cứu này, chúng ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến moment xoắn áp trên mấu, bao gồm: a - moment xoắn áp tại vị trí cân bằng 0 radians, b - moment xoắn áp tại vị trí cân bằng S radians, và h - moment xoắn giữ tổng hợp Đặc biệt, x là vị trí cân bằng được tính theo radians.
S – góc bước, tính theo radians
Khi không có bão hòa, các moment xoắn a và b tỷ lệ thuận với dòng đi qua các mấu tương ứng Điều này rất phổ biến trong việc làm việc với các dòng và moment xoắn thông thường Để đảm bảo an toàn, moment xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại được chấp nhận trong một mấu động cơ là 1.0.
Từ đó ta lựa chọn được động cơ phù hợp là động cơ bước lưỡng cực 4 pha (28BỴ-48)
Động cơ bước lưỡng cực 4 pha (28BYJ-48)
Hình 2.14 : Hình dáng bên ngoài và sơ đồ các cuộn dây bên trong motor b) Các thông số của động cơ
Tần số: 100Hz c) Cách điều khiển
Khi đấu chung nguồn, mức điện áp 0V (logic 0) sẽ cho phép dòng điện chạy qua các cuộn dây, trong khi mức điện áp 5V (logic 1) sẽ ngăn cản dòng điện qua các cuộn dây.
Khi cấp điện áp vào cuộn dây stato của động cơ, roto sẽ quay một góc nhất định, tương ứng với một bước quay Để điều khiển động cơ quay liên tục, chỉ cần cấp xung điện lần lượt cho các cuộn dây.
Kết luận
Chương này tập trung vào việc trình bày sơ đồ khối, phân tích và lựa chọn phương án thiết kế nhằm thực hiện các tính toán phù hợp và đề xuất giải pháp đáp ứng yêu cầu của đề tài Tiếp theo, bài viết khái quát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước lưỡng cực 4 pha được áp dụng trong nghiên cứu Qua đó, tôi đã hiểu rõ hơn về các vấn đề cần giải quyết để phát triển sản phẩm thực tế, làm tiền đề cho chương tiếp theo.
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 3.1 Các module trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm
Để PIC hoạt động ta cần cấp nguồn cho PIC Ngoài ra có thể thêm vào bộ dao động thạch anh, và nút nhấn reset
Hình 3.1 : Giao tiếp vi điều khiển với các khối trong sơ đồ mạch
Sử dụng bộ dao động thach anh tạo dao động điện và tạo tấn số ổn định cho vi điều khiển
Ta làm nguồn 5V cho PIC: Dùng nguồn máy tính
Khối nguồn
Cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ hệ thống
Sơ đồ khối bộ nguồn sử dụng nguồn máy tính với điện áp +5V ổn định để cấp cho toàn bộ mạch Các tụ C2 và C3 có chức năng lọc nhiễu, trong khi diode D3 đảm nhiệm vai trò bảo vệ nguồn Sơ đồ nguyên lý được minh họa như hình dưới.
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý nguồn nuôi của mạch
Khối phím nhấn
Để nhập các thông số như tốc độ,số bước,chiều quay cho động cơ,ở đây em sử dụng phím nhấn như hình dưới
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý từng phím nhấn
Bộ khuếch đại dòng ULN 2803 nhằm mục đích hỗ trợ dòng cho động cơ bước,luôn giữ cho dòng cấp vào motor < 500mA
Hình 3.4: Mô phỏng bộ khuếch đại dòng ULN 2803
IC đệm dòng ULN2803
IC này bao gồm 8 transistor NPN ghép Darlington, lý tưởng cho việc giao tiếp với các mạch điện số ở mức logic thấp như TTL, CMOS hoặc PMOS/NMOS.
ULN2803 được thiết kế để phù hợp với chuẩn TTL
Nhiêm vụ của ULN2803 là để đệm dòng (mỗi chân có thể cho dòng 0,5A đi qua) giúp MATRIX LED có thể hoạt động ổn định, hiệu quả
Hình 3.5: IC đệm dòng ULN2803
Khối LCD
LCD (Liquid Crystal Direct) TC1602A là màn hình tinh thể lỏng gồm có :
- Bộ Driver(mạch điều khiển)
Màn hình LCD và bộ Driver đã được kết nối sẵn
LCD_DM 1602A hiển thị để dễ dàng trong việc điều khiển
Hình 3.6 : Mô phỏng LCD trên proteus
Màn hình tinh thể lỏng LCD 1602 loại 2 dòng 16 ký tự đã trở nên phổ biến và dễ dàng trong việc lập trình, đồng thời mang lại tính thẩm mỹ cao Nó hoạt động với nguồn điện thấp từ 2,5V đến 5V và có thể sử dụng ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit, trong đó bài viết này sẽ tập trung vào chế độ 4 bit.
PIC Có 2 chế độ làm việc với LCD
* Chế độ 4 bit : ta thường làm cách này để tiết kiệm chân cho VĐK Nhược điểm : tốc độ chậm hơn so với chế độ 8 bit
LCD có 3 đường điều khiển:
Đường E cho phép hay không việc giao tiếp với LCD
Nếu E=1 cho phép, sau đó kiểm tra trạng thái chân RS và RW
Nếu E=0 cấm E khởi tạo quá trình truyền dữ liệu từ VĐK tới LCD
Đường RS qui định dữ liệu/ lệnh được gửi tới LCD
RS=1 Dữ liệu (kí tự) đang được viết lên LCD
RS=0 Lệnh đang được viết lên LCD
Đường RW - Qui định hướng truyền dữ liệu giữa LCD và VĐK
Nếu RW=0 VĐK viết dữ liệu lên LCD
Nếu RW=1 VĐK đọc dữ liệu từ LCD Để viết dữ liệu lên LCD cần thực hiện các bước theo trình tự như sau:
2.Đặt RS=0 hay RS=1 tùy mục đích gửi lệnh hay dữ liệu
3.Đặt dữ liệu vào bus dữ liệu (RB4-RB7) (Nếu là quá trình viết)
6.Đọc dữ liệu tại Bus dữ liệu (nếu là quá trình đọc)
Việc đọc dữ liệu từ LCD được thực hiện tương tự như các trường hợp khác, mặc dù ít phổ biến hơn Các ký tự hiển thị trên LCD được lưu trữ trong DDRAM (Display Data RAM).
Các ký tự có thể được định nghĩa và lưu trữ trong CG RAM (Character Generated RAM), với dung lượng 64 bytes Mỗi ký tự chiếm 8 bytes, cho phép tối đa 8 ký tự được định nghĩa.
Việc đọc và viết ký tự lên màn hình LCD mất khoảng 40 đến 120 micro giây, trong khoảng thời gian này, LCD không thể thực hiện các tác vụ khác Do đó, trong chương trình, cần thiết phải thêm độ trễ để LCD có thể hoàn thành công việc của mình.
Khởi tạo làm việc với LCD theo chế độ 4 bit
1 Đợi 15ms sau khi cấp nguồn
2 Viết 0x03 vào LCD và đợi 5ms để hoàn thành việc viết lệnh
3 Viết 0x03 vào LCD và đợi 160us
4 Viết 0x03 vào LCD và đợi 160us
5 Viết 0x02 vào LCD để chọn chế độ 4 bit
Viết 0x010 để tắt hiển thị
Viết 0x001 để xóa màn hình Đặt chế độ làm việc cho con trỏ.
Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước
Sơ đồ mô phỏng và mạch nguyên lý
Hệ thống điều khiển được mô tả qua sơ đồ dưới đây, trong đó các thông số như tốc độ, số bước và chiều quay được nhập từ các phím bấm và truyền vào bộ vi xử lý 16F877A thông qua Port B.
Bộ điều khiển sử dụng các thông số để hiển thị thông tin trên màn hình LCD qua các chân RC0-RC5 Đồng thời, dữ liệu điều khiển motor được xuất qua các chân RD4-RD7, với sự hỗ trợ của ULN 2803 để điều khiển motor quay theo các thông số đã nhập.
Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 3.7.Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 3.8 : Sơ đồ mạch được mô phỏng bằng proteus
Hình 3.9 : Mạch sau khi hoàn thành
Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển
Chương trình điều khiển được lập trình bằng Pic C Compiler (CCS) là một công cụ lập trình C mạnh cho vi điều khiển PIC
Kết quả và thảo luận
Sau quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, sản phẩm cuối cùng đã được hoàn thiện, đáp ứng yêu cầu điều khiển hoạt động của động cơ bước bằng vi điều khiển PIC16F877A.
Mạch hoạt động có những ưu điểm và khuyết điểm sau: Ưu điểm:
Mạch hoạt động ổn định, cho phép điều khiển dễ dàng và đảm bảo động cơ hoạt động chính xác Thiết kế nhỏ gọn của mạch giúp việc tích hợp vào các hệ thống điều khiển và đo lường tự động trở nên thuận tiện hơn.
-Khi di chuyển thì mạch vận hành không ổn định -Mạch còn sai số do sai số của linh kiện nhưng vẫn nằm trong mức cho phép
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ bước sử dụng PIC 16F877A", tôi đã củng cố kiến thức về thiết kế mạch thực tế Đề tài này tập trung vào việc điều khiển động cơ theo từng bước tốc độ, cấu trúc của động cơ và các phương pháp thực hiện.
Chương trình mô phỏng được thực hiện trực tiếp trên Protues 7.8.Còn lập trình cho vi điều khiển được thực hiện trên PIC C Compiler
Do hạn chế về thời gian và trình độ, đề tài vẫn còn thiếu sót và gặp nhiều vấn đề, chẳng hạn như việc chưa điều khiển nghịch đảo tốc độ và các vấn đề liên quan đến hiển thị LCD.
Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Hồ Sỹ Phương, người đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài Sự giúp đỡ quý báu của thầy là yếu tố quyết định giúp tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này.
Em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô và bạn bè để thiết kế của mình có thể phát triển và hoàn thiện hơn!
Em xin chân thành cảm ơn!