Tìm hiểu máy phay đứng 3 trục sử dụng động cơ bước 2 pha

Báo cáo thực tập tốt nghiệp
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………1
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC……… ………3
1.1 Điều khiển số…………………………………………………………………3
1.2 Máy CNC………………………………………………………………….….3
CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC………… …………………….7
2.1. Khái niệm chung về động cơ bước………………………………………… 7
2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước ……………………………………8
2.3 Mụmen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước…………………….9
2.4 Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ truyền động……………………………11
2.4.1 Ba chế độ điều khiển động cơ bước………………………………………11
2.4.2 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước…………………… 13
2.4.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước……………………………… 14
2.4.4 Điều khiển chiều quay của động cơ bước……………………………… 15
CHƯƠNG III: TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG 3 TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ
BƯỚC 2 PHA……………………………………………………………………17
3.1 Tìm hiểu về cơ
khớ………………………………………………………….17
3.1.1 Mô hình máy phay thực tế……………………………………………… 17
3.2 Mạch lực và phần cứng của hệ thống……………………………………… 19
3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay ….19
3.3 Phần mềm điều khiển động cơ bước qua cổng LPT……………………… 25
3.3.1 Thuật toán điều khiển…………………………………………………… 27
3.3.2 Viết chương trình…………………………………………………………27
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 30
1
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Sau 9 học kì học tập tại trường, chúng em đã được truyền dạy kiến thức
thuộc nhiều môn học lý thuyết. Để mở rộng kiến thức thực tế và kết hợp học và

hành, nhóm sinh viên chúng em được nhà trường và thầy giáo hướng dẫn cử đi
thực tập tốt nghiệp tại trung tâm thực hành tự động hóa tại trường Đại học
Phương Đông. Trong quá trình thực tập chúng em có cơ hội được tiếp xúc với
nhiều hệ thống thí nghiệm, các mô hình của các hệ thống tự động hóa và nhiều
thiết bị điện, điện tử giúp chúng em cú thêm kinh nghiệm thực tế để chuẩn bị cho
quá trình làm đồ án tốt nghiệp và áp dụng trong công việc sau này.
Suốt quá trình thực tập, chúng em được phân công tập tìm hiểu về mô hình
máy phay CNC, để củng cố thờm cỏc kiến thức về điều khiển số, máy gia công
CNC, ghép nối mỏy tớnh… là những môn học mà chúng em đã được dạy ở trong
trường. Đồng thời chúng em bước đầu đi vào tìm cách phát xung điều khiển mô
hình. Đây cũng là tiền đề để khi nghiên cứu làm đồ án tốt nghiệp chúng em có thể
hoàn thiện và nâng cấp hệ điều khiển của mô hình. Thực tế quá trình đó, chúng
em đã thu nhặt được thêm không ít các kiến thức bổ ích mà trong quá trình học
tập chúng em chưa trang bị được cho bản thân.
Đợt thực tập đã thực sự rất bổ ích cho nhóm em. Chúng em xin gửi lời cảm ơn
chân thành tới nhà trường, các thầy cô trong bộ môn đã bố trí cho chúng em có
đợt thực tập này. Chúng em đặc biệt gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn Tiến
sĩ Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình thực tập;
cảm ơn thầy giáo Lưu Đức Dũng cùng các anh chị tại trung tập thực hành đã tạo
điều kiện, nhiệt tình giúp đỡ chỉ bảo và truyền đạt cho chúng em nhiều kinh
nghiệm quý báu.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Quang
2
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Chương I
KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC
1.1 Điều khiển số:
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mọc đích điều khiển các quá
trình công nghệ gia công cắt gọt trờn cỏc máy công cụ. Về thực chấy, đây là một

quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại,
robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia cụng…) trờn cơ sở các dữ
liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập
phân, các chữ cái và một số kí tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của
thiết bị hay hệ thống.
Trước đây, cũng đó cú cỏc quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo
chương trình bằng các kĩ thuật chộp hỡnh theo mẫu, chộp hỡnh bằng hệ thống
thuỷ lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng
các thành quả tiến bộ của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển
số và tin học đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ
các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh
hoạt hơn thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao
hơn.
Về mặt khoa học: trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kĩ thuật
đã cho phét chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao
hơn mà trước đây chưa đủ điều kiện mà ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn tới
kết quả gần đúng. Chính vì vậy đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy thiết kế và chế
tạo cỏc mỏy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng
như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn. Ngày nay,
lịch sử phát triển của NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng
với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lí từ 4bit, 8bit,…cho tới 32bit và cho phép
thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ cũng như xử lí.
1.2 Máy CNC
Từ cỏc mỏy CNC riêng lẻ (CNC Machines – Tools) cho đến sự phát triển cao
hơn là các trung tâm gia công CNC (CNC Engineering – Centre) cú cỏc ổ chứa
3
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
dao lên tới hàng trăm và có thể thực hiện nhiều nguyên công đồng thời hoặc tuần
tự trên cùng một vị trí gá đặt. Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số
liệu, các mạng cục bộ và liên thông phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các

nhà nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lí
của một máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) với mục đích khai
thác một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng
máy, tổ chức sản xuất và quản lí chất lượng sản phẩm…
Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt
đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp
CIM (Computer Intergrated Manufacturing) với việc trang bị them các robot cấp
phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến,
các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất
đáng kể.
Cấu trúc hệ điều khiển trờn mỏy phay:
Hệ điều khiển có nhiệm vụ giải mã chương trình NC và xử lý tiếp các thông
tin có liên quan về công nghệ và hình dáng hình học của chi tiết. Với sự hỗ trợ
của hệ điều khiển, các bộ phận cấu thành máy phay được điều khiển và hiệu
chỉnh sao cho hình thành được các chi tiết cần gia công như mong muốn. Các
chức năng của hệ điều khiển có thể được thiết lập như: nhập dữ liệu, xử lý dữ
liệu, và xuất dữ liệu (Hình 1.2)
4
Máy CNC 1
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 1.2. Cấu trúc hệ điều khiển
Việc nhập dữ liệu trong hệ điều khiển về cơ bản diễn ra trên bảng điều khiển
bao gồm bàn phím và màn hình. Ở đây các chương trình NC có thể được thiết lập
và quản lý, dữ liệu có thể được nhập vào, có thể gọi mô phỏng chương
trỡnh.Chương trỡnh NC có thể được ghi nhớ hoặc lưu trữ dữ liệu ở bên ngoài.
Đồng thời nó cũng có khả năng liên kết với các thiết bị bên ngoài thông qua các
thiết bị giao tiếp.
Hệ điều khiển hở
Các điều khiển hiện nay trờn mỏy phay được thực hiện bởi điều khiển CNC.
Đặc điểm của hệ điều khiển này là mạch tác dụng hở ( Hình 1.13). Hệ điều khiển

nhận các giá trị cần vào máy mà không cần hiệu chỉnh giá trị của chúng.
Hình 1.3. Hệ điều khiển hở
5
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hệ điều khiển kín
Vì điểu khiển hở có thể cho các tín hiệu đầu ra không chính xác, do đó tín
hiệu ra phải được phản hồi về hệ điều khiển để tính toán liên tục và điều chỉnh lại
các giá trị thực theo yêu cầu. Quá trình điều khiển kín liên tục này được gọi là hệ
điều khiển kớn ( Hỡnh 1.4)
Hình 1.4. Hệ điều khiển kín
6
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Chương II
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
2.1. Khái niệm chung về động cơ bước
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu
điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động
góc quay hoặc các chuyển động của rụto và có khả năng cố định rụto vào những
vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín
hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc
quay của rụto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của rụto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một
xung điện áp đặt vào cuộn dây stato của động cơ bước thỡ rụto của động cơ sẽ
quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung
điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thỡ rụto sẽ quay liên tục
nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc.
Có thể coi động cơ bước là linh kiện ( hay dụng cụ) số ( Digital Device) mà ở
đó các thông tin số hoỏ đó thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo
từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy

tính yêu cầu.
Hình 2.1. Mô hình hoá động cơ bước.
7
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Rụto của động cơ bước (không có cuộn dây khởi động) được khởi động bằng
phương pháp tần số; rụto của động cơ bước có thể được kích thích (rụto tích cực)
hoặc không nhận được kích thích (rụto thụ động ).
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rụto 2 cực
và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 2 cực.
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây có thể là xung một cực (hình 2.3 a) hoặc
xung hai cực (hình 2.3 b).
Hình 2.3. Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato.
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây
stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm cuộn dây. Trị số và chiều
của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rụto trong không gian hoàn
toàn phụ thuộc và phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.
Để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mụmen
đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây.
Lúc đó rụto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng ( ổn định) trùng với vectơ lực
8
a. Xung một cực
b. Xung lưỡng cực
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ
thành phần của các cuộn dây stato ( hình 2.2 b; hình 2.2 c)
Trờn hình 2.2 b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số
chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí
chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Trờn hỡnh 2.2 c vẽ lực điện từ tổng F khi
cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F

nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (số
cuộn dây được cấp điện thay đổi từ chẵn sang lẻ rồi từ lẻ sang chẵn) thì số vị trí
cân bằng của rụto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi bằng
m
π
. Trường hợp này là điều khiển không đối xứng (điều khiển nửa bước).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi thỡ thỡ rụto cú m
vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng (điều khiển cả bước).
Tổng quát số bước quay của rụto trong khoảng 0 ữ 360
0
là :
K = m.n
1
.n
2
.p (2.1)
– m : số pha (số cuộn dây điều khiển trên stato).
– p: số đôi cực của rụto.
– n
1
: hệ số; n
1
= 1 ứng với điều khiển đối xứng.
n
1
= 2 ứng với điều khiển không đối xứng.
– n
2
: hệ số; n

2
= 1 điều khiển bằng xung một cực.
n
2
= 2 điều khiển bằng xung hai cực.
Bước quay của rụto trong không gian là α =
K
0
360
.
2.3 Mụmen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước
Động cơ bước được cấp bởi dòng điện một chiều do đó biểu thức mụmen đồng
bộ tĩnh của động cơ bước khác so với biểu thức mụmen đồng bộ của động cơ
đồng bộ thường cú cựng cấu trúc.
9
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Trong động cơ bước được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ dòng
điện trong các cuộn stato là hằng số:
I =
R
U
= const (2.2)
Từ thông do nó sinh ra tác động vào cặp cực của rụto:
Φ = B.S.cosα = B.S.sinθ (2.3)
– B : là cường độ từ trường do dòng điện I sinh ra trong cuộn dây có điện cảm.
– S: tiết diện vuông góc của cặp cực.
– α : góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha.
– θ : góc giữa trục cặp cực và đường vuông góc với trục của cuộn dây pha.
Khi θ thay đổi cùng với sự thay đổi khe hở không khí giữa các răng của stato
và rụto làm cho điện cảm L thay đổi dẫn đến từ thông Φ thay đổi và do đó

mụmen của động cơ cũng thay đổi.
Phần lớn các động cơ bước hiện nay đều có cấu tạo rụto không có cuộn kích
thích. Biểu thức mụmen cú dạng sau:
M(θ) = C
M
.I
S
.
θ
d
dL
S
(2.4)
– CM : hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại động cơ.
– I
S
: trị số dòng điện Stato.
– L
S
: trị số điện cảm Stato.
Quan hệ giữa mụmen và góc quay θ thường có dạng không sin do ảnh hưởng
của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của rụto và stato, cũng như do xung điện áp
cấp vào có dạng xung vuông là tổng của các thành phần điều hoà.
Hình 2.4 vẽ đường cong mụmen tổng M = f(θ) ( đường nét liền) và các thành
phần điều hoà của nó (đường nét đứt):
10
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 2.4. Đường cong mụmen của động cơ bước theo góc quay θ
Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bởi độ dốc của đường cong
mụmen đồng bộ M = f(θ), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc thuộc đường cong

này (phần nét đậm trờn hỡnh 2.4). Độ dốc của đường M = f(θ) trong vùng này
càng lớn thì suất mụmen
θ
d
dM
càng lớn và khả năng đồng bộ của động cơ bước
càng lớn.
2.4 Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ truyền động
2.4.1 Ba chế độ điều khiển động cơ bước
Giả sử ta cấp điện cho hai cuộn dây của động cơ bước:
Hình 2.5 biểu diễn mối quan hệ giữa các vecto lực điện từ F1, F2 của hai cuộn
dây 1 và 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và vectơ lực điện từ tổng F.
Hình 2.5. Giản đồ nguyên lý lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước
– F1, F2 : lực điện từ tác động lờn rụto khi cuộn dây 1, dây 2 được kích thích.
11
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
– F : lực điện từ tổng.
– α : góc bước.
– β : góc cần điều khiển (góc vi bước).
Nếu ta điều khiển sao cho F1 và F2 có trị số khác nhau thì lực điện từ tổng F sẽ
có hướng thay đổi trong khoảng góc bước α và do đó vị trí của rụto thay đổi được
và có thể cố định được vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bước α.
Từ giản đồ nguyên lý lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước (hình 2.5) ta
có:
AB2 = OA2 + OB2 – 2.OA.OB.cos α (2.5)
OC2 = OA2 + OB2 + 2.OA.OB.cos α (2.6)
2
2







AB
= OA2 +
2
2






OC
- 2.OA.






2
OC
.cos β (2.7)
AB2 = 4.OA2 + OC2 - 4.OA.OC.cos β (2.8)
Từ đó ta có: cos

β =
α

α
cos 2
cos.
22
OBOAOBOA
OBOA
++
+
(2.9)
Tổng quát : cos

β =
α
α
cos 2
cos.
21
2
2
2
1
21
FFFF
FF
++
+
(2.10)
Từ công thức tổng quát ta suy ra các trường hợp sau:
* Điều khiển cả bước:
– Đầu tiên cho F

2
= 0 và F
1
= F, cosβ = F/F = 1 nên β = 0, rụto ở vị trí trục cuộn
dây 1.
– Rồi cho F
1
= 0 và F
2
= F, cosβ = cosα hay β = α , rụto ở vị trí trục cuộn dây 2.
* Điều khiển nửa bước:
– Đầu tiên cho F
2
= 0 và F
1
= F, rụto ở vị trí trục cuộn dây 1.
– Tiếp theo cho F
1
= F
2
= F
cos

β =
)2/(cos4
)2/(cos.2
)cos1(2
cos1
2
2

α
α
α
α
=
+
+
(2.11)
12
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
cos

β = cos(α/2); β = α/2; rụto ở vị trí chính giữa góc α.
– Sau đó cho F1 = 0 và F2 =F, rụto sẽ ở vị trí trục của cuộn dây thứ 2.
Trong trường hợp này rụto sẽ chuyển động từng bước θ = α/2,( β = 0, α/2,α)
* Điều khiển vi bước:
Nếu ta điều khiển sao cho lực F1 giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F2
tăng dần từng bước từ 0 đến F thỡ rụto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến OB.
Thực tế, để rụto có thể quay được các bước đều,chẳng hạn vi bước θ (θ = α/n),
ta phải giải phương trình (2.10) để tìm F1 và F2 ứng với cỏc gúc quay β = θ, 2θ,
3θ, ,nθ. Phương trình (2.10) là một phương trình bậc 2 với 2 ẩn số về nguyên tắc
là không giải được. Bằng việc thêm điều kiện biên nhất định phương trình (2.10)
sẽ giải được.
2.4.2 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước
Tín hiệu điều khiển của động cơ bước là các xung rời rạc kế tiếp nhau.Việc
điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển:
– Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là điện áp U).
– Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bước).
– Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay).
– Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liên

quan đến chiều quay và mụmen tải).
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau:
* Trạng thái không hoạt động:
Khi không có cuộn dây nào được cấp điện:
– Đối với động cơ phản kháng, rụto sẽ quay trơn.
– Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: cú mụmen
hóm , rụto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực
của rụto và stato là nhỏ nhất.
13
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
* Trạng thái giữ:
Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều. Rụto mang tải sẽ được giữ
chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mụmen giữ.
* Trạng thái dịch chuyển bước:
Rụto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ sang vị trí bước tiếp theo khi
các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp.
* Trạng thái quay quá giới hạn:
Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có tần số quá cao, động cơ sẽ
quay vượt tốc. Ở trạng thái này động cơ không thể đảo chiều, không thể dừng
đúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ. Muốn dừng và đảo chiều
động cơ phải giảm xuống dưới tốc độ tới hạn để hoạt động trong chế độ bước.
Động cơ bước chỉ được coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và c.
2.4.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước
Động cơ bước có thể quay với bất kì tốc độ nào trong giải từ 0 vũng/ phỳt đến
giá trị cực đại cho phép.
Do tính chất đặc biệt, động cơ bước có thể dừng đột ngột ở bất kỳ vị trí nào
trong độ phân giải của góc bước khi đang quay với bất kì tốc độ nào trong dải tốc
độ cho phép. Động cơ bước ít được dùng cho các thiết bị cần quay đều mà nó
được sử dụng chủ yếu cho điều khiển thích nghi (tốc độ quay biến đổi liên tục,
thậm chí động cơ phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát).

Vận tốc quay của động cơ bước được hiểu là vận tốc trung bình. Trong khoảng
thời gian t giây ta thực hiện được n lần dịch bước thì tần số dịch bước là f = n/t.
Giả sử góc bước của động cơ là θ
0
thì để đạt được 1 vòng quay ta phải cho động
cơ quay 3600/θ
0
bước quay.
Vận tốc trung bình V của động cơ bước trong thời gian t giây là :
V =
360
.
360
.
θθ
f
t
n
=
( vòng/giây) =
60
.
θ
f
( vũng/phỳt) (2.12)
Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch
bước f. Việc điều khiển này được thực hiện bởi các bộ vi xử lý. Việc lựa chọn tải
14
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
trọng và vận tốc quay cực đại phải được tính toán trước khi thiết kế hệ truyền

động sử dụng động cơ bước.
2.4.4 Điều khiển chiều quay của động cơ bước
Với động cơ bước, chiều quay nhìn chung không đồng nhất với chiều dòng
điện cấp vào mà nó phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch của các bước. Khi rụto
đang ở vị trí n, nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí (n + 1) thì động cơ
quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rụto chuyển sang vị trí (n – 1) thì động cơ
quay trái . Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này.
Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạng
thái cấp điện của các cuộn dây stato. Với động cơ 2 pha, nếu điều khiển cả bước,
có 4 trạng thái cấp điện, nếu điều khiển nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.
Với động cơ 4 pha, nếu cấp xung 1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điện
vào các cuộn dây cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.
Bảng 2.1. Trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha
1 2 3 4 5 6 7 8
Cuộn 1 1 1 0 0 0 0 0 1
Cuộn 2 0 1 1 1 0 0 0 0
Cuộn 3 0 0 0 1 1 1 0 0
Cuộn 4 0 0 0 0 1 1 1 1
Trong bảng ô nào đánh số 1 thì cuộn dây đó được cấp xung điện 1 cực, ô nào
đánh số 0 thì cuộn đó không được cấp điện. Nếu điều khiển cả bước thì chỉ có 4
trạng thái: 1, 3, 5, 7 hoặc 2, 4, 6, 8. Nếu điều khiển nửa bước có 8 trạng thái.
Khi đã xác định được cách cấp điện như trên, trong lúc hoạt động, động cơ
bước chỉ có thể ở 8 trạng thái ổn định đó. Mỗi lần dịch chuyển trạng thái cấp điện
sang trạng thái liền kề thì động cơ dịch chuyển một bước (bước đủ hoặc bước
nửa). Nếu chiều dịch chuyển từ phải qua trỏi thỡ động cơ quay trái, dịch chuyển
từ trái qua phải thì động cơ quay phải.
15
Trạng
thái
Cuộn

dây
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Trong quá trình hoạt động thì ít nhất 1 cuộn dây pha phải được cấp điện. Nếu
tất cả các cuộn dây không được cấp điện (trạng thái Turn off) thì động cơ quay
trơn, có nghĩa là nếu tải gây ra mụmen thỡ rụto sẽ bị quay bởi lực bên ngoài.
Muốn dùng ngoại lực để thay đổi vị trí tải thì phải đưa động cơ về vị trí Turn off.
Hệ truyền động động cơ bước sẽ không hoạt động nếu ta điều khiển nó ở 2 trạng
thái Turn off và dịch bước, mà phải điều khiển ở chế độ giữ và dịch bước.
16
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Chương III
TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG 3 TRỤC
SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHA
3.1 Tìm hiểu về cơ khí:
3.1.1 Mô hình máy phay thực tế:
Hình 3.1. Mụ hỡnh mỏy phay
Máy phay ở phân xưởng bao gồm 3 chuyển động sau:
– Chuyển động của bàn máy theo trục X
– Chuyển động của giá gắn mũi phay theo trục Y
– Chuyển động của mũi phay theo trục Z
17
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 3.2. Cơ cấu dịch chuyển của trục X
Hình 3.3. Cơ cấu dịch chuyển các trục Y và Z
Hình 3.4. Mô hình lắp ráp may phay
Nếu trục máy sử dụng bộ biến đổi vít me bi thì ưu điểm là rõ ràng, nhưng
cũng không phải không có khó khăn. Việc tìm mua được 3 bộ vit me bi cú cựng
thông số khá khó khăn. Hơn nữa, giá cả của các bộ vít me này cũng khá cao (1,5
– 2 triệu đồng/bộ). Cho nên đối với máy phay này ở phân xưởng thì những bộ
biến đổi này chúng em dùng những thanh trượt (dẫn hướng) hình trụ mạ Crụm.

Hình 3.5. Thanh trượt mạ crụm
18
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Và để bàn máy và các trục tọa độ trượt trên thanh trượt này ta sử dụng dây
cu–roa gai gắn vào các trục máy và tỉ số truyền của bộ truyền này là 1:1.
Để điều khiển chuyển động tịnh tiến của 3 trục đó nờu trên, cơ cấu chấp hành
là 3 động cơ bước.
Bên cạnh 3 trục tọa độ trên, mũi phay được quay bởi động cơ đồng bộ lắp vào
nguồn 220V xoay chiều.
3.2 Mạch lực và phần cứng của hệ thống
Nhiệm vụ của nhóm em là tìm hiểu về cấu trúc phần cứng, chỉnh định lại tủ
điều khiển cho hợp lý hơn về ghép nối và thuận tiện cho chạy thử .
3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay
Với sự phát triển của kĩ thuật vi xử lý các nhà sản xuất đã cho ra đời các vi
điều khiển tích hợp các mạch công suất cần thiết: mạch phát xung, mạch đảo
chiều quay, mạch điều chỉnh tốc độ…vv. Nhờ đó giúp cho việc thiết kế các
module điều khiển được đơn giản và gọn nhẹ cũng như nâng cao độ chính xác
trong quá trình điều khiển. Hai vi mạch L297 và L298 đã được ứng dụng để thiết
kế module điều khiển cho động cơ truyền động trong máy phay.
* Động cơ bước truyền động 3 trục của máy phay:

Hình 3.6. Động cơ bước trong mô hình máy phay
* Module điều khiển động cơ bước:
– Vi mạch L297 do hãng: SGS – THOMSON Microelectronics sản xuất.
Vi mạch L297 tích hợp tất cả các mạch điện tử cần thiết để điều khiển động
cơ bước lưỡng cực và đơn cực. Sử dụng cùng với mạch cầu công suất kép như
L298 tạo ra một bộ ghép nối hoàn chỉnh giữa bộ vi xử lý và động cơ bước kiểu
19
Thông số: VEXTA Model C6244–9212K
2 phase 1.8

o
/step DC 5.7V – 1.6A
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
lưỡng cực. Động cơ bước kiểu đơn cực cũng có thể điều khiển được bằng L297
cộng 4 cụm công xuất mắc theo kiểu Đalingtơn.

Hình 3.7 Dạng đóng vỏ vi mạch L297
Hình 3.8. Sơ đồ khối vi mạch L297

20
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Bảng 3.1. Bảng chức năng cỏc chõn của L297
– Vi mạch cầu công suất L298
L297 thường được sử dụng cùng với cầu công suất L298 hoặc L293E. Ở đây
L298 được sử dụng
L298 là một mạch tích hợp đóng vỏ kiểu 15 chân dạng Multiwatt và
PowerSO20.

Hình 3.9. Kiểu đóng vỏ của L298

21
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 3.10. Cấu tạo chân của L298
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý L298
– Mạch ghép nối L297 và L298:

Hình 3.12 Sơ đồ ghép nối 2 vi mạch
22
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 3.13 Mạch lắp ráp linh kiện module điều khiển

Cấu trúc cụ thể tủ điều khiển:



Hình 3.14 Cấu trúc tủ điều khiển
Bộ nguồn được thiết kế có 3 nguồn ra là 12V ,5V, 0V.

Hình 3.15 Mạch nguồn
23
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Trong phần cứng ta thấy chân control, enable, half/full được nối với nguồn 5V
(lấy từ bộ nguồn sang) nghĩa là ở mức logic cao. Chân enable ở mức cao để cho
phép L297 hoạt động. Chân half/full ở mức cao để cho chế độ làm việc là nửa
bước. Cũn chân control ở mức logic cao để chế độ chopper luôn là tín hiệu pha.
Bộ dao động R,C tạo dao động cho chân OSC với tần số f = 1/0.69.R.C. Điện áp
so sánh Vref được nối với nguồn 5V thong qua biến trở để có thể điều chỉnh tần
số xung reset, cũng chính là để giới hạn điện áp tải.
Chân Clock để điều khiển tốc độ động cơ. Tần số f của xung clock sẽ được lập
trình để vận tốc của động cơ quay theo tốc độ mong muốn. Chân Dir là điều
khiển chiều quay của động cơ. Khi chân này ở mức logic cao thì động cơ qua
theo chiều kim đồng hồ, còn mức thấp thì ngược chiều kim đồng hồ. Chân Dir và
Clock được điều khiển bởi máy vi tính qua cổng mạch in. Với 3 chân đầu vào đã
được nối vào 5V thì mỗi động cơ ta phải điều khiển 2 chân Clock và Dir. Bởi
vậy, ta phải dùng 6 chân trong 8 chân dữ liệu của cổng mạch in để điều khiển 3
động cơ bước.
L298 được nuôi bởi nguồn 12V, nguồn logic là 5V, được ghép nối với L297
như lý thuyết.Đầu ra sẽ là 4 chân tương ưng với 2 pha của động cơ. Nguồn 12V
và 5V đều được lấy từ bộ nguồn.
Mạch cho cổng mạch in: cỏc chân từ 18 đến 25 được nối xuống đất, cỏc chân
2 đến 9 là 8 chân dữ liệu được đưa lên nguồn 5V thông qua trở treo (nhưng thực

chất chỉ dung 6 chân). Bờn cạnh dú cỏc chõn còn lại cũng được nối với nguồn 5V
thông qua trở treo 4.7k . Nguồn 5V được lấy từ bộ nguồn sang.


Hình 3.16 Mạch cho cổng LPT
24
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Một trong những nhiệm vụ của bọn em trong đợt thực tập là chỉnh sửa lạ phần
cứng cho thuận tiệc trong thao tác. Để tiện cho việc cắm jump của động cơ bước
vào mạch phần cứng, chúng em đã thay đổi tủ điện như làm lại một số dây, tạo
ra các lỗ khoan :

Hình 3.17 Đầu nối các mạch điều khiển ra các động cơ
3.3 Phần mềm điều khiển động cơ bước qua cổng LPT
Nhiệm vụ tiếp theo viết chương trình phần mềm để phát tín hiệu từ cổng mạch
in cho động cơ chạy. Như đã nói ở trên 6 chân của cổng mạch in (từ 2 đến 7) sẽ
được dùng để điều khiển 3 động cơ bước.
25