Đồ án tốt nghiệp điều khiển bằng plc s7 1200 và hmi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
BỘ MÔN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐIỆN CƠNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: Mơ hình điều khiển bằng HMI, PLC
S7- 1200 và servo motor.
GVHD: .........................
SVTH: .................
............................

TPHCM – 4/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
BỘ MÔN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐIỆN CƠNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: Mơ hình điều khiển bằng HMI, PLC S71200 và Servo motor.

TPHCM, 4/2021


PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ

..................................................................................................................................................

..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
4. Ngày giao nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp: .............................................................................
5. Ngày hoàn thành và nộp về khoa: ...........................................................................................
HỌ VÀ TÊN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

PHẦN HƯỚNG DẪN

1)........................................................................................

1)..................................................

2)........................................................................................

2)..................................................

Nội dung và yêu cầu đồ án tốt nghiệp đã được thông qua khoa
Đức Hịa, Ngày…… tháng ……năm 2021
Trưởng Khoa/Bộ mơn
( Ký và ghi rõ họ và tên)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
( Ký và ghi rõ họ và tên)

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ

..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
4. Ngày giao nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp: .............................................................................
5. Ngày hoàn thành và nộp về khoa: ...........................................................................................
HỌ VÀ TÊN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

PHẦN HƯỚNG DẪN

1)........................................................................................

1)..................................................

2)........................................................................................

2)..................................................

Nội dung và yêu cầu đồ án tốt nghiệp đã được thông qua khoa
Đức Hịa, Ngày…… tháng ……năm 2021
Trưởng Khoa/Bộ mơn
( Ký và ghi rõ họ và tên)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

( Ký và ghi rõ họ và tên)


Nhận xét của Giảng viên hướng dẫn
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
Ký tên

Nhận xét của Giảng viên phản biện
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................................

Ký tên


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn người thầy đã hết lòng chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt
những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm nghiên cứu trong suốt thời
gian học tập và thực hiện đề cương luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Trường Đại Học Công Nghiệp, đã tạo
những điều kiện tốt nhất về vật chất lẫn tinh thần để chúng tôi hoàn thành tốt đồ án tốt
nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Q Thầy, Cơ của Trường Đại Học Công
Nghiệp đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt
quá trình học tập cũng như nghiên cứu sau này.
Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tơi yên tâm học tập tốt trong suốt thời
gian vừa qua.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ
cho tôi rất nhiều trong q trình học tập, cơng tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện
đề cương luận văn.


LỜI CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan khóa luận là cơng trình nghiên cứu của riêng nhóm em,
khơng sao chép của ai do chúng em tự nghiên cứu, đọc, dịch tài liệu, tổng hợp và thực
hiện. Nội dung lý thuyết trong khóa luận chúng em có sử dụng một số tài liệu tham khảo
như đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo. Các số liệu, chương trình phần mềm và
những kết quả trong khóa luận là trung thực và chưa được cơng bố trong bất kỳ một cơng
trình nào khác.

Sinh viên

MỤC LỤC
Danh Sách Các Hình .......................................................................................................... x
Danh Sách Các Bảng.........................................................................................................xi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 1
1. Lí do chọn đề tài ...................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG HMI, PLC S7 1200 VÀ
SERVO MOTOR ........................................................................ 4
1.1.

Giới thiệu chung ................................................................................................... 4

1.2.

Các phương pháp điều khiển ................................................................................ 4

1.3.

Tình hình nghiên cứu ngồi nước......................................................................... 4

1.4. Tình hình phát triển ở Việt Nam: ....................................................................... 5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................. 6
2.1.

ĐỘNG CƠ BƯỚC ................................................................................................ 6

2.1.1.

Khái niệm động cơ bước................................................................................ 6

2.1.2

Phân loại ........................................................................................................ 7

2.2.

Động cơ Động Cơ Hybrid servo. .......................................................................... 7

2.2.1.

Khái niệm Động Cơ Hybrid servo. ................................................................ 7

2.2.2.

Cấu tạo ........................................................................................................... 7

2.2.3.

Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 9

2.2.4.

Ứng dụng ..................................................................................................... 11

2.2.5.

Ưu và nhược điểm ....................................................................................... 12

2.2.6.

Sơ đồ mạch điều khiển Động Cơ Hybrid servo ........................................... 13

2.2.7.

Kết luận ........................................................................................................ 16

2.3.

PLC S7 1200 ....................................................................................................... 16

2.3.1.

PLC hay bộ điều khiển lập trình là gì? ........................................................ 16

2.3.3.

Lắp đặt và sử dụng PLC: ............................................................................. 17

2.3.4.

Đặc điểm bộ điều khiển logic khả trình (PLC):........................................... 18

2.3.5.

Cấu trúc PLC. .............................................................................................. 19

2.3.6.

Các module trong hệ PLC S7-1200. ............................................................... 20

2.3.6.1.

Giới thiệu về các module CPU ................................................................. 20

2.3.6.2.

Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn: ...................... 21


2.3.6.3.

Thiết kế linh hoạt:..................................................................................... 21

2.3.7.

Đấu nối PLC ................................................................................................ 22

2.3.8.

Các vùng nhớ của PLC S7 - 1200................................................................ 22

2.3.9.

Cách tạo một Project .................................................................................... 23

2.4.

HMI .................................................................................................................... 26

2.4.1.

HMI là gì? .................................................................................................... 26

2.4.2.

Cấu tạo của HMI .......................................................................................... 27

2.4.3.

Các thông số đặc trưng của HMI ................................................................. 27

2.4.4.

Các loại HMI hiện nay ................................................................................. 27

2.4.5.

Ứng dụng của HMI ngày nay ...................................................................... 28

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THỰC TẾ ................................................................................ 29
3.1.

Gia cơng mơ hình ............................................................................................... 29

3.2.

SƠ ĐỒ NỐI DÂY PLC HMI, SERVO .............................................................. 33

3.2.1. Địa chỉ ngõ vào ra. .......................................................................................... 33
3.2.2. Sơ đồ nối dây HMI, PLC, Servo ..................................................................... 34
3.3.

CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN...................................................................... 35

3.3.1.

Khai báo trục servo ...................................................................................... 35

3.3.1.1 . Khai báo trục X. ......................................................................................... 35
3.3.1.2.

Khai báo truc Y ........................................................................................ 37

3.3.1.3.

Khai báo trục Z ......................................................................................... 39

Chương trình điều khiển. ................................................................................ 42

3.3.2.
3.3.3.

Lập trình Giao diện HMI ............................................................................. 75

3.3.4.

Thơng số tọa độ trục XYZ ........................................................................... 76

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................. 77
4.1.

Kết quả đạt được ................................................................................................. 77

4.2.

Những hạn chế của đề tài: .................................................................................. 78

4.3.

Hướng phát triển: ................................................................................................ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 80


Danh Sách Các Hình
Hình 2. 1: Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ đặc biệt ................................................... 6
Hình 2. 2:: Động Cơ Hybrid servo. ............................................................................................... 8
Hình 2. 3: Động cơ bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử ........... 10
Hình 2. 4: Ứng dụng của động cơ bước trong thực tế ................................................................ 11
Hình 2. 5: Step Motor có ưu điểm đầu tiên là khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn........... 12
Hình 2. 6: Driver Kết Nối Động Cơ Và Bộ Điều Khiển .............................................................. 14
Hình 2. 7: Sơ đồ chân kết nối driver servo .................................................................................. 15
Hình 2. 8: CPU SIMATIC S7-1200 ............................................................................................. 21
Hình 2. 9: Sơ đồ đấu nối PLC CPU1214C AC/DC/RL ............................................................... 22

Hình 3. 1: Mơ hình Mơ hình gắp thả sản phẩm điều khiển bằng HMI, PLC S7- 1200 và Servo
motor sau khi hồn thiện ............................................................................................................. 29

Hình 3. 2: Tủ bố trí các thiết bị điều khiển.................................................................................. 29
Hình 3. 3:.Các nút nhấn, đèn báo nguồn, chng báo có trên mơ hình...................................... 30
Hình 3. 4:. Cánh tay gấp 3 trục ................................................................................................... 30
Hình 3. 5: Bàn thả sản phẩm. ...................................................................................................... 31
Hình 3. 6: Nơi cấp phơi ............................................................................................................... 32
Hình 3. 7: Bộ điều áp khi nén ...................................................................................................... 32
Hình 3. 8: Sơ Đồ Nối Dây Plc Hmi, Servo .................................................................................. 34


Danh Sách Các Bảng
Bảng 2. 1 Bảng quy định chọn xung trên driver S servo............................................................ 15

Bảng 3. 1 Địa chỉ ngõ vào ra PLC 1 và PLC 2............................................................................ 33
Bảng 3. 2. Thông số tọa độ trục X,Y,Z ....................................................................................... 76


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa trong nền kinh tế 4.0 có vai trị rất quan
trọng bởi trong cuộc cách mạng công nghệ số 4.0, tất cả các dây chuyền sản xuất đều cần
sự đóng góp của cơng nghệ điều khiển và tự động hố, hay nói cách khác: Cơng nghệ kỹ
thuật điều khiển – tự động hố chính là “hơi thở” trong cơng nghiệp hố 4.0 hiện nay.
rong q trình sản xuất công nghiệp, không thể thiếu được sự hỗ trợ của ngành kỹ thuật
điều khiển và tự động hoá. Các thao tác của con người sẽ được thay thế hồn tồn bằng
các hoạt động của máy móc, robot tự động… trong dây chuyền sản xuất nhằm tăng năng
suất lao động, giảm thiểu nhân công, sức lực, thời gian và chi phí cho doanh nghiệp
Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển – tự động hoá là việc vận hành dây chuyền sản xuất
ứng dụng những công nghệ hiện đại thay thế sức lao động của con người nhằm tạo ra hàng
hoá, sản phẩm. Hay có thể hiểu chi tiết hơn, cơng nghệ kỹ thuật điều khiển – tự động hố
chính là ngành nghiên cứu, thiết kế và vận hành các hệ thống tự động, các dây chuyền sản

xuất tự động tại các nhà máy. Thiết kế và chế tạo robot, quản lý sản phẩm tại các công ty
trong nước và quốc tế về các thiết bị điện tử tự động,…
Công nghệ kỹ thuật điều khiển – tự động hoá được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khác nhau như: công nghiệp sản xuất, dây chuyền lắp ráp tự động, ứng dụng kiểm sốt
chất lượng, gia cơng cơ khí,… Các hệ thống điều khiển thường dùng trong quá trình vận
hành sản xuất từ đơn giản tới phức tạp, điều khiển máy móc đơn giản cho tới hệ thống
cơng nghiệp lớn.
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng mơ hình gắp thả sản phẩm điều khiển bằng HMI, PLC S7- 1200 và servo
motor.Mơ hình được sử dụng Servo, PLC s7-1200 và HMI. Nhằm nghiên cứu về cấu tạo
và phương pháp điều khiển trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng giải
pháp phần cứng chế tạo bộ điều khiển cánh tay gắp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tính cấp thiết của đề tài Thế giới hiện nay đang trong quá trình cách mạng cơng
nghiệp 4.0, nó mang đến cho nhận loại cơ hội để thay đổi bộ mặt các nền kinh tế. Cùng
với đó là những hứa hẹn về cuộc ‘đổi đời’ của các doanh nghiệp tại Việt Nam. Tự động
hóa là một xu hướng quan trọng của tương lai nền cơng nghiệp. Tự động hóa đem lại mức
độ chính xác và năng xuất cao hơn. Cơng nghệ này thậm chí có thể hoạt động tốt ở một
số mơi trường làm việc khắc nhiệt khơng an tồn với con người. Ngành công nghiệp tự
1


động trên thế giới hiện nay đang phát triển rất mạnh mẽ với rất nhiều hãng sản xuất robot
công nghiệp khác nhau. Có rất nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứ về lĩnh vực này như
là : Nhật Bản, Mỹ, Úc, Nga… Và các kết quả đạt được khiến con người không phải không
ngạc nhiên. Các sản phẩm là robot công nghiệp được ứng dụng hết sức rộng rãi trên nhiều
lĩnh vực khác nhau, robot cũng được ứng dụng trong các môi trường rất đa dạng như trong
công xưởng, ngồi vũ trụ, dưới biển hay thậm chí là trong các đường ống nước thải. Mục
đích để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người.
Hiện nay tại nước ta các doanh nghiệp và các trường đại học đang rất quan tâm đến các

cuộc thi công nghệ như Sáng tạo robot Việt nam-Robocon, robottics quốc tế … . Trên thị
trường cũng có nhiều mơ hình robot phục vụ học tập và nghiên cứu với giá thành hợp lý.
Với sự phát triển mạnh mẽ về cơng nghiệp máy tính và cách mạng công nghiệp 4.0 trên
thế giới cũng như ở nước ta. Cơng nghiệp tự động hóa và robot cũng phát triển nở rộ đi
kèm theo đó là nhu cầu về nguồn lao động có trình độ có thể làm chủ được công nghệ. Do
vậy em chọn đề tài ‘xây dựng mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do gắp và phân
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cánh tay robot lý tưởng cho các hoạt động lặp đi lặp lại, nhất quán và yêu cầu độ
chính xác rất cao, cũng như cho các ứng dụng mà con người có thể gặp khó khăn để thực
hiện một cách an tồn.
Kết cấu của cánh tay robot cơng nghiệp được mô phỏng như một cách tay của con
người. Tuy rằng hình dáng bên ngồi được làm bằng kim loại cứng cáp nhưng khả năng
di chuyển của robot lại cực kỳ linh hoạt, tốc độ nhanh chóng và xác định vị trí chính xác.
Với sản phẩm tự động hóa là cánh tay robot, con người không cần phải trực tiếp làm
những công việc hao tốn quá nhiều sức lực. Ở đây con người vẫn làm chủ máy móc, điều
khiển robot thực hiện các hành động tự động bằng cách lập trình nhiệm vụ cho nó.
Hiện nay, cánh tay robot đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản
xuất tại Việt Nam, từ sản xuất ô tô, điện tử, đến thực phẩm và y tế.
Các công ty lớn trong lĩnh vực sản xuất như Samsung, LG, Vinfast, Vingroup, và các
cơng ty nước ngồi như Toyota, Canon, Mitsubishi Electric đều đã sử dụng cánh tay robot
trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, cánh tay robot cũng được sử dụng trong các ứng dụng
y tế như phẫu thuật và chăm sóc bệnh nhân.
Các cơng ty sản xuất cánh tay robot cũng đang phát triển mạnh tại Việt Nam, như
Tech Garden, Vinabot, và VinaiRobotics. Các sản phẩm của các công ty này đang được
sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất, giáo dục và dịch vụ.

2


Tuy nhiên, việc sử dụng cánh tay robot vẫn còn giới hạn ở một số lĩnh vực và doanh

nghiệp nhỏ, vừa và nhỏ chưa có điều kiện đầu tư để sử dụng cánh tay robot. Ngồi ra, cịn
tồn tại một số thách thức về việc đào tạo nguồn nhân lực để sử dụng cánh tay robot và
quản lý, bảo trì, sửa chữa cánh tay robot.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QT MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG
HMI, PLC S7 1200 VÀ SERVO MOTOR
1.1.

Giới thiệu chung

Sự phát triển của khoa học - công nghệ, đã làm cho hệ thống điều khiển trong công
nghiệp và đời sống phát triển. Do đó đã nâng cao năng suất lao động và hạn chế sức lao
động của con người. Cùng với nó hệ thống tự động hố q trình sản xuất ngày càn được
sử dụng, ứng dụng rất rộng rãi trong các nhà máy xí nghiệp. Cánh tay robot cơng nghiệp
những năm gần đây đã trở thành ‘trợ thủ đắc lực’ trong các nhà máy sản xuất. Cánh tay
robot có vai trị quan trọng, thay thế con người trong các hoạt động sản xuất mang tính
lặp lại và trong các mơi trường làm việc rủi ro cao.
1.2.

Các phương pháp điều khiển

Chịu trách nhiệm điều khiển sau khi nhận và xử lý các tín hiệu từ bên ngồi. Sau khi
nhận thơng tin, bộ phận điều khiển sẽ phát thông tin để động cơ dịch chuyển theo yêu cầu,
hình thành một chuỗi động học. Chức năng của hệ thống điều khiển cũng được phân cấp
từ đơn giản như đến chức năng phức tạp
Đây là phần mềm được cài đặt trên máy tính, nơi các kỹ thuật viên lập trình các thao
tác của robot. Hệ thống quản lý và điều khiển sẽ được kết nối với nhau để truyền và nhận

tin.
1.3.

Tình hình nghiên cứu ngồi nước.

Tại nước ngồi, đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng thực tế mơ hình điều khiển
bằng HMI, PLC S7-1200 và servo motor. Các nghiên cứu này tập trung vào việc
tối ưu hóa và cải tiến các phương pháp điều khiển tự động hóa trong sản xuất.
Một số nghiên cứu tiêu biểu bao gồm:
- Nghiên cứu của M. Ali Sadiq và cộng sự (2019) tại Pakistan: Nghiên cứu này
tập trung vào việc thiết kế và ứng dụng mơ hình gấp thả sản phẩm điều khiển bằng
PLC S7-1200 và servo motor. Kết quả nghiên cứu cho thấy, mơ hình được thiết kế đạt
hiệu quả cao và đáp ứng được yêu cầu của sản xuất.
- Nghiên cứu của R. Karthick và cộng sự (2020) tại Ấn Độ: Nghiên cứu này tập
trung vào việc cải tiến phương pháp điều khiển tự động hóa trong sản xuất với sự kết
hợp của HMI, PLC S7-1200 và servo motor. Kết quả nghiên cứu cho thấy, phương
pháp điều khiển tự động hóa mới có khả năng tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí
sản xuất
4


- Nghiên cứu của L. P. Georgescu và cộng sự (2019) tại Rumani: Nghiên cứu
này tập trung vào việc ứng dụng mơ hình gấp thả sản phẩm điều khiển bằng HMI, PLC
và servo motor trong sản xuất dây cáp điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy, mơ hình đã
cải thiện được quy trình sản xuất và tăng hiệu quả sản xuất.
1.4.

Tình hình nghiên cứu và phát triển ở Việt Nam:

Tình hình phát triển mơ hình gấp thả sản phẩm điều khiển bằng HMI, PLC S7-1200

và servo motor ở Việt Nam có thể khá đa dạng và đang có sự phát triển tích cực trong
ngành cơng nghiệp tự động hóa.
Việt Nam đang chứng kiến sự gia tăng mạnh mẽ của các công ty công nghệ, đặc biệt
là trong lĩnh vực tự động hóa và robot học. Các cơng ty này tập trung vào nghiên cứu,
phát triển và ứng dụng các công nghệ như HMI, PLC và servo motor để cung cấp giải
pháp tự động hóa cho các ngành cơng nghiệp khác nhau.
Công nghiệp sản xuất trong Việt Nam đang ngày càng chuyển từ giai đoạn thủ cơng
sang tự động hóa để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong lĩnh vực gấp thả
sản phẩm, việc sử dụng HMI, PLC S7-1200 và servo motor giúp tăng cường sự chính xác
và hiệu suất của quy trình gấp thả, đồng thời giảm sự phụ thuộc vào lao động.
Nhiều doanh nghiệp Việt Nam đã áp dụng công nghệ này vào sản xuất và đã
đạt được kết quả tích cực. Các mơ hình điều khiển bằng HMI, PLC S7- 1200 và
servo motor được triển khai trong các ngành công nghiệp như ô tô, điện tử, dược phẩm
và thực phẩm.
Đồng thời, các trung tâm đào tạo và viện nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và
cơng nghệ điều khiển cũng đang phát triển ở Việt Nam, đáp ứng nhu cầu về nhân lực
chuyên gia và sự tiếp cận cơng nghệ mới.
Ngồi ra, các trường đại học và viện nghiên cứu ở Việt Nam cũng đang đóng góp
cho sự phát triển của. Ví dụ, Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Công nghệ
TP.HCM có các phịng thí nghiệm nghiên cứu về robot và trí tuệ nhân tạo.
Tuy nhiên, so với một số quốc gia khác trên thế giới, sự phát triển robot ở Việt
Nam vẫn chưa đạt được sự tiến bộ đáng kể. Việc đầu tư và nghiên cứu về robot còn
hạn chế do thiếu nguồn lực và kinh phí, cũng như sự phổ biến và ứng dụng của robot
trong sản xuất và cuộc sống hàng ngày còn chưa cao.
Tuy nhiên, với tiềm năng phát triển và sự quan tâm của chính phủ và các doanh
nghiệp, có thể mong đợi sự phát triển và tiến bộ của lĩnh vực robot trong tương lai ở
Việt Nam.
5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

ĐỘNG CƠ BƯỚC

2.1.1. Khái niệm động cơ bước
Động cơ bước, hay còn gọi là Step Motor là gì? Theo Wikipedia, động cơ bước là
một loại động cơ sử dụng điện nhưng có nguyên lý và ứng dụng vô cùng khác biệt so với
các loại động cơ điện 1 pha và động cơ điện 3 pha thông thường.
Thực chất, đây là một loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều
khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành
các chuyển động góc quay. Đơi khi chính là các chuyển động của rôto, giúp cho người
dùng cố định roto của máy vào trong các vị trí cần thiết.

Hình 2. 1: Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ đặc biệt
Nói chung, động cơ bước (motor bước) là một loại động cơ mà các bạn có thể quy
định được tần số góc quay của nó. Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên mỗi
vịng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn.

6


Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là 90 độ và cực tiểu đến 0,72 độ. Tuy
nhiên, các góc bước của động cơ thường được sử dụng phổ biến nhất là góc 1,8 độ, góc
2,5 độ, góc 7,5 độ và góc 15 độ.
2.1.2 Phân loại
• Phân loại động cơ bước theo số pha
- Loại 1: động cơ bước 2 pha là loại động cơ bước 4 dây, động cơ bước 6 dây hoặc
động cơ bước 8 dây.
- Loại 2: động cơ bước 3 pha là loại động cơ bước 3 dây hoặc động cơ bước 4 dây.

- Loại 3: động cơ bước 5 pha là loại động cơ bước có 5 dây
• Phân loại theo cực của động cơ bước
Động cơ đơn cực
- Dòng điện trong một động cơ đơn cực luôn chạy qua cuộn dây theo cùng một
hướng. Điều này cho phép sử dụng mạch điều khiển đơn giản, nó tạo ra mơ-men xoắn ít
hơn động cơ lưỡng cực.
Động cơ lưỡng cực
- Dòng điện trong một động cơ lưỡng cực có thể chạy qua cuộn dây theo một trong
hai hướng. Trong khi điều này đòi hỏi một mạch điều khiển phức tạp hơn động cơ đơn
cực, nó tạo ra nhiều mơ-men xoắn hơn.
Phân loại động cơ bước theo Rotor
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu ( Permanent magnet stepper ) :
- Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng một nam châm vĩnh cửu (PM) trong rotor và
hoạt động dựa trên lực hút hoặc lực đẩy giữa rotor PM và nam châm điện stator.
Động cơ bước biến đổi điện trở ( Variable Reluctance Stepper Motor ):Động cơ bước
biến đổi điện trở (VR) có một rotor sắt trơn và hoạt động dựa trên nguyên tắc miễn cưỡng
tối thiểu xảy ra với khe hở tối thiểu, do đó các điểm rotor bị hút về phía cực nam châm
của stator.
2.2.
Động cơ Động Cơ Hybrid servo [1].
2.2.1. Khái niệm Động Cơ Hybrid servo.
Động cơ bước lai (HB) được đặt tên bởi vì chúng sử dụng kết hợp các kỹ thuật nam
châm vĩnh cửu (PM) và biến đổi điện trở (VR) để đạt được cơng suất tối đa trong kích
thước nhỏ gọn.
2.2.2. Cấu tạo
7


Cấu tạo động cơ bước khá giống với động cơ DC. Nó cũng có một nam châm vĩnh
cửu là rotor. Rotor sẽ ở trung tâm và sẽ quay khi lực tác dụng lên nó. Rơto này được bao

quanh bởi một số stato được quấn bởi cuộn từ tính trên nó. Stator sẽ được đặt càng gần
càng tốt với rôto để từ trường trong các stator có thể ảnh hưởng đến chuyển động của rôto.
Để điều khiển động cơ bước, mỗi stator sẽ được cấp nguồn lần lượt. Trong trường hợp
này, stato sẽ từ hóa và hoạt động như một cực điện từ tác dụng lực đẩy lên rôto và đẩy nó
di chuyển một bước. Thay thế từ hóa và khử từ của các stator sẽ di chuyển rôto từng bước
và cho phép nó xoay với sự kiểm sốt tuyệt vời.

Hình 2. 2:: Động Cơ Hybrid servo.
Thơng số motor bước
•
Thơng thường, mỗi motor step có một bộ phận quan trọng nhất, động cơ
bước thường có bao nhiêu step ? Theo như thông tin từ nhà sản xuất, động cơ bước
hiện nay có số step là 200.
Rated Current/ phase (dịng tiêu thụ tối đa của mỗi pha)
Phase Resistance (điện trở của từng pha) 1.4 Ω
Voltage (hiệu điện thế dòng điện) 2.8 V
8

2.0 A


Ngồi ra, động cơ bước cịn có các thơng số khác, cụ thể như:
Rated Current/ phase (dòng tiêu thụ tối đa 2.0 A
của mỗi pha)
Phase Resistance (điện trở của từng pha)

1.4 Ω

Voltage (hiệu điện thế dịng điện)

2.8 V

Trong đó, tham số Rated Current/ phase sẽ thể hiện cho bạn biết dịng điện tối đa mà mỗi
pha của động cơ có thể nhận được. Nếu driver điều khiển nào có dịng điện mỗi pha cao
hơn thơng số nêu trên thì sẽ hỏng. Do đó, bạn nên lựa loại driver cho dịng điện chạy ra
xấp xỉ 80 - 90% thông số trên đây.
Điện trở mỗi pha được xem là hằng số (các bạn có thể xem trong datasheet của động
cơ bước mà mình đã mua). Cịn con số voltage được xem là hiệu điện thế tối ưu để làm
cho các stepper có thể hoạt động ổn định (2.0 * 1.4 = 2.8V)
2.2.3.Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động động cơ bước không quay theo các cơ chế thơng thường, bởi
vì Step motor quay theo từng bước một, cho nên nó có một độ chính xác cao, đặc biệt là
về mặt điều khiển học.
Động cơ motor bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử.
Các mạch điện tử này sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stato theo số thứ
tự lần lượt và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với số lần mà động cơ được chuyển
mạch. Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ tự
chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của nó.

9


Hình 2. 3: Động cơ bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử
Hiện nay, có 4 phương pháp để điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến
nhất, đó là
+ Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Đây là phương pháp điều khiển cấp
xung cho bộ điều khiển, hoạt động lần lượt theo đúng thứ tự nhất định cho từng cuộn dây
pha.
+ Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung

cùng lúc, đồng thời cho cả 2 cuộn dây pha được sắp xếp kế tiếp nhau.
+ Điều khiển động cơ nửa bước (Half step): Chính là phương pháp điều khiển kết
hợp cả 2 phương pháp điều khiển động cơ dạng sóng và điều khiển động cơ bước đủ. Khi
điều khiển động cơ theo phương pháp này thì giá trị của góc bước nhỏ hơn 2 lần và số
bước của động cơ bước cũng sẽ tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bằng động
cơ bước đủ. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có bộ phát xung điều khiển vơ cùng
phức tạp.

10


Điều khiển động cơ vi bước (Microstep): Đây là phương pháp mới, chỉ được áp dụng
trong quá trình điều khiển động cơ bước. Từ đó, cho phép động cơ bước dừng lại và định
vị trong khoảng vị trí nửa bước chính giữa 2 bước đủ.
2.2.4.Ứng dụng
Động cơ bước hiện nay đã và đang được ứng dụng rất nhiều và ngày càng phổ biến,
chủ yếu là trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số của các động cơ. Nó được thực hiện
bởi các lệnh đã được mã hoá tự động dưới dạng số.
Ứng dụng động cơ bước trong ngành công nghiệp tự động hoá, đặc biệt là đối với
các thiết bị máy móc cần phải có sự chính xác. Chẳng hạn như các loại máy móc cơng
nghiệp hiện đại, giúp phục vụ cho q trình gia cơng cơ khí như: Máy cắt cơng nghệ
plasma CNC, máy cắt cơng nghệ CNC laser,…

Hình 2. 4: Ứng dụng của động cơ bước trong thực tế
Ngồi ra, trong lĩnh vực cơng nghệ máy tính, động cơ bước Step cũng được sử dụng
trong các loại ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa mềm, thậm chí là cả máy in,…
Trong lĩnh vực an ninh bảo mật, động cơ bước chính là một sản phẩm giám sát mới,
đem lại tiến bộ vượt trội cho ngành an ninh.
Trong lĩnh vực tế, động cơ bước được sử dụng để sản xuất máy qt y tế, máy lấy
mẫu, thậm chí cịn có bên trong máy chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, những chiếc bơm

chất lỏng, mặt nạ phòng độc và các loại máy móc phân tích mẫu máu.

11


Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, động cơ bước được dùng trong quá trình chế tạo
máy ảnh, đem lại chức năng lấy nét chính xác và sắc sảo cho máy ảnh, đồng thời có chức
năng thu phóng các loại camera kỹ thuật số tự động hay các loại máy in 3D.
2.2.5.Ưu và nhược điểm
Nắm được những ưu - nhược điểm của động cơ bước sẽ giúp cho chúng ta ứng dụng
loại động cơ này vào trong sản xuất một cách tốt nhất, đem lại giá trị kinh tế cao.
•

Ưu điểm của động cơ bước đó là:
+ Step Motor có ưu điểm đầu tiên là khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn, đặc

biệt là ở dải vận tốc thấp và vận tốc trung bình.
+ Một “điểm cộng” nữa của động cơ bước trên thị trường hiện nay đó là nó khá bền,
giá thành sản phẩm cũng tương đối thấp, do đó việc mua bán, trao đổi cũng khá thuận
tiện, không gặp bất kỳ một trở ngại nào. Không chỉ có vậy, việc thay thế động cơ bước
trong quá trình sản xuất cũng tương đối dễ dàng.

Hình 2. 5: Step Motor có ưu điểm đầu tiên là khả năng cung cấp mơ men xoắn cực lớn
•
Nhược điểm của động cơ bước:
- Motor Step hay xảy ra các hiện tượng khó chịu, chẳng hạn như bị trượt bước. Lý
do được biết đến đó là vì lực từ yếu hay đơi khi cịn do nguồn điện cấp vào động cơ khơng
đủ.
- Một “điểm trừ” nữa đó là trong q trình hoạt động, động cơ Step Motor thường
gây ra tiếng ồn ào khó chịu và có hiện tượng động cơ bị nóng dần lên. Với những động

12


cơ Step Motor thế hệ mới thì độ ồn và hiện tượng nóng của động cơ đã được giảm đi đáng
kể.
- Không nên sử dụng động cơ Step Motor cho các thiết bị máy móc địi hỏi tốc độ
cao.
2.2.6. Sơ đồ mạch điều khiển Động Cơ Hybrid servo
Trước tiên, chúng ta hãy nói về con servo, có thể thấy rằng đa phần để tiết kiệm chi
phí sản xuất, người ta hay sử dụng những con servo motor đã qua sử dụng. Và để chọn
lựa được một dòng động cơ servo cũ có thể hoạt động ổn định và độ chuẩn cao không
phải điều dễ dàng, chúng ta nên test thật kỹ nó.
Chỉ cần đấu dây điện của con servo với bộ điều khiển có tính năng hiển thị các thơng
số chi tiết, sau đó bấm để hiệu chỉnh cho đến khi trên màn hình hiển thị ln dịng chữ
servo. Sau đó, bạn hãy lấy cây tua vít nhấn vào các nút có hình tam giác hướng lên hoặc
hướng xuống cho đến khi thấy con servo hoạt động là được.
Quy trình điều khiển động cơ dc servo diễn ra như thế nào? Điều quan trọng nhất
trong khi tiến hành sử dụng thiết bị điều khiển servo motor chính là các bạn phải hiểu rõ
về vấn đề lập trình con PLC, chú ý sao cho nó có thể đọc được tín hiệu phát xung ra từ
con servo.
Phần này cũng tương tự như việc calip bộ điều khiển đem đấu nối vào con cảm biến
nhiệt độ vậy. Nếu không nắm rõ được quy trình vận hành của bộ điều khiển nhiệt độ thì
các bạn sẽ không bao giờ cài đặt được công tắc đóng - ngắt khi dịng nhiệt độ của động
cơ tăng lên hay giảm xuống

13


Hình 2. 6: Driver Kết Nối Động Cơ Và Bộ Điều Khiển [2]

Phần này rất khó, do đó bạn có thể xem các video thể hiện rõ phần lập trình này để
cho dễ hiểu hơn. Quy trình đấu dây điều khiển động cơ DC servo motor được tiến hành
như sau:
- Bạn cần chuẩn bị một con mạch cầu bao gồm có 2 dây output ra ở bộ điều khiển
(Thơng thường, hệ thống mạch cầu thông dụng của động cơ sẽ có 2 kênh, và trong trường
hợp này, các bạn chỉ cần sử dụng 1 kênh trên mạch cầu để điều khiển là đủ).
- Tiếp theo, bạn cần chuẩn bị thêm 1 con DC servo motor được tích hợp gồm có 4
dây. Trong đó, 2 dây sẽ tạo nguồn điện để đi ni động cơ vận hành, cịn 2 dây nguồn đi
nuôi cho động cơ encoder, đồng thời kết hợp 2 dây output về con encoder và một giắc
nguồn 1 dây điện.
- Tiến hành đấu nối cấp nguồn cho động cơ servo như sau:
Lấy 2 dây cấp nguồn điện từ phía động cơ servo motor để đấu vào 2 chân từ kênh
của con mạch cầu. Tiếp đến, các bạn hãy cấp nguồn cho con mạch cầu bằng cái giắc nguồn
mà ở đó chân dương của giắc cắm vào chân + mạch cầu, còn dây điện âm của giắc sẽ kết
hợp 1 đầu dây điện và đem đấu chung
Các linh kiện mà bạn cần chuẩn bị để tiến hành điều khiển đó là động cơ Servo
MG996R, trình điều khiển Servo PCA9685 PWM, mạch điều khiển board Arduino, nguồn
14