báo cáo thực tập về Máy phay CNC CYBER MILL

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-1 -
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước,có thể nói một trong những
tiêu chí đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia là mức tự độnghoá trong quá trình sản
xuất mà trước hết là năng suất và chất lượng sản phẩm. Sự phát triển nhanh cuả máy
tính điện tử, công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết điều khiển tự động
đã làm cơ sở và hỗ trợ cho sự phát hiển của nghành tự động hoá.
Nước ta, mặc dù là mộth đang phát hiển, những năm gần đây cùng với sự đòi hỏi
của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ
khoa học kỹ thuật và đặc biệt là ứng dụng tự động hoá trong các nghành sản xuất đã có
bước phát hiển mới.
Ngày nay tự động hoá đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất. một
trong những ứng dụng của nó là sủa dụng máy công cụ CNC.
Trong quá trinh thực tập chúng em đã được làm quen vơi một dạng CNC đó là máy
phay CNC CYBER-MILL. Nhờ đựơc sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn đặc biết
là thầy Nguyễn Mạnh Tiến và Thầy Hà Tất Thắng mà chúng em đã phần nao nắm bắt
được nhũng kiến thức về CNC.
Do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên những điều chúng em đã làm
được sẽ có rất nhiều thiếu sót. Rất mong đước sự góp ý của các thầy cô và các bạn.
Sinh viên : Bùi Văn Việt
-2-
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
PHẦN I
TỔNG QUAN CNC
1.1. KHÁI NIÊN MÁY CNC
CNC là viết tắt của Computer Numerical Control: điều khiển số bằng
máy tính
Máy công cụ CNC là loại máy gia công sử dụng các chuơng trình đã đuợc lập trình
sẳn để gia công các chi tiết.
Các chuơng trình gia công được đọc cùng một lúc và được lưu trữ vào bộ nhớ. Khi

gia công, Máy tính đưa ra các lệnh điều khiển máy, Máy công cụ CNC có khả năng thực
hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol
và bất kỳ mặt bậc ba nà.
Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ. Tất cả các chức
năng trên đều được thực hiện nhờ một phần mềm của máy tính.
1.2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA MÁY CỒNG cụ ĐIỀU KHIỂN CNC
Đặc điểm của các động cơ truyền động
Truyền động chính:
Động cơ chính thường dùng động cơ dòng một chiều hoặc dòng điện xoay chiều.
Truyền động chạy dao:
Động cơ dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều với bộ vitme/đai ốc/ bi cho
từng trục, chạy dao độc lập X, Y, z.
Thường sử dụng động cơ dòng một chiều có đặc tính động học tốt cho các quá trình
gia tốc và quá trình phanh hãm, mômen quán tính nhỏ, độ chính xác điều chỉnh cao cho
những đoạn đường chuyển chính xác.
Bộ víme/đai ốc/ bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát và không có
khe hở khi truyền với tốc độ cao. Để có thể dịch chuyển chính xác trên các biên dạng,
các trục truyền dẫn không được phép có khe hở và cũng không được phép có
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-3-
hiệu ứng stick-slip(hiện tượng trượt lùi do lực cản ma sát). Bộ vítme/ đai ốc/ bi là giải
pháp kỹ thuật đảm bảo được yêu cầu đó.
Phương thức tác dụng của vítme/ đai ốc/ bi:
Các viên bi nằm trong rãnh vítme và đai ốc đảm bảo truyền lực ít ma sát từ trục
vítme qua đai ốc vào bàn máy. nhờ hai nửa đai ốc lắp theo chiều dài giữa chúng có vòng
cách, có thể điều chỉnh khử khe hở theo hai chiều đối ngược.
Trong một số giải pháp kết cấu nâng cao của bộ truyền này, bước nâng của rãnh vít
trên trục và trên đai ốc có giá trị khác nhau.
Việc dẫn bi hồi rãnh được thực hiện nhờ các rãnh dẫn hướng bố trí bên trong hoặc
các ống dẫn hồi bi bao ngoài trục.

Truyền dẫn chạy dao không khe hở trên các máy phay CNC cho phép cắt theo chu
kỳ phay thuận mà vẫn êm.
1.3. HỆ TOẠ SỬ DỤNG TRONG MÁY CNC
1.3.1 hệ toạ độ vuông góc
Các điểm mà dao cắt đi tới trong khi gia công được xác định trong một chương trình.
Để mô tả vị trí của các điểm này trong vùng làm việc, ta dùng một hệ toạ độ. Nó bao
gồm ba trục vuông gốc với nhau cũng cắt nhau tại điểm 0. Trong hệ toạ độ này có các
trục X, Y, và z.
Với một hệ trục toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác định thông qua các toạ
độ của nó. Hệ toạ độ máy do nhà chế tạo máy xác đinh, thông thường nó không thể bị
thay đổi.
Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị. Trên máy phay nó nằm song song với
bàn máy(bàn kẹp chi tiết).
Trục Y là trục thứ hai trong mặt phẳng định vị. Nó nằm hên mặt nắp máy và vuông
góc với bàn máy.
Trục z luôn luôn trùng với trục truyền động chính. Trục này được nhà chế tạo xác định.
Chiều dương của trục z chạy từ chi tiết hướng đến dao cắt. Điều đó có
nghĩa là trong chuyển động theo chiều âm của trục z, dao cắt sẽ đi tới bề mặt chi tiết
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-4-
Để xác định nhanh chiều của các trục, dùng luật bàn tay phải: ta đặt ngón giữa của
bàn tay phải theo chiều của trục z thì ngón tay cái sẽ trỏ theo chiều trục X và ngón tay
trỏ sẽ chỉ theo chiều Y.
Hệ toạ độ cơ bản đựơc gắn liền với chi tiết. Bởi vậy khi ta lập trình ta phải luôn luôn
xuất phát từ chổ xác định chi tiết đứng yên còn dao cắt thì chuyển động. Điều đó có
nghĩa là :
Khi cắt phay, rõ ràng chi tiết chuyển động là chính, nhưng để đơn giản cho việc lập
trình hãy quan niệm là chi tiết đứng yên còn dao cắt thi dịch chuyển.
Ta gọi đó là chuyển động tương đối của dao cụ.
Để mô tả đường dịch chuyển dao(các dữ liệu toạ độ) ừên một số máy CNC có cả hai

khả năng.
1.3.1.1 Dùng toạ độ Đề các.
Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề các, ta đưa ra các khoảng cách đo song song với các trục
từ một điểm tới một điểm khác.
Các khoảng cách theo chiều dương của trục có kèm theo dấu dương(+) phía trước.
Các khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm(-) phía trước.
Các số đo có thể đưa ra theo hai phương thức:
Đo tuyệt đối:
Với các số đo tuyệt đối, ta đưa ra toạ độ của các điểm đích tính từ một điểm cố định
trong vùng làm việc. Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều xác định, dao cắt phải dịch
chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-5-
Đo theo kích thước :
Với các số đo theo chuỗi kích thước, ta đưa ra toạ độ của các điểm đích tính từ mỗi
điểm dừng lại của dao cắt sau một vệt cắt. Nghĩa là trong mỗi chuyến đều đưa ra số liệu
dao cần được dịch chuyển tiếp một lượng là bao nhiêu nữa theo từng trục toạ độ.
1.3.1.2 Dùng toạ độ cực
Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ toạ độ cực, ta đưa ra vị hí của một điểm không qua
khoảng cách và góc so với một trục cơ sở Các toạ độ cực chỉ có thể đo trên mặt phẳng
chính. Trong phạm vi của một hệ toạ độ cực có ba mặt phẳng chính. Từ ba trục X, Y và
z của hệ thống sẽ có ba bề mặt kẹp, đó là : mặt X/Y; mặt X/Z và mặt Y/Z
1.3.2 Những điểm quan trọng trong một hệ toạ độ
Điểm chuẩn của máy M: là điểm gốc M của hệ toạ độ máy
Điểm w chi tiết: là điểm gốc 0 của hệ toạ độ chi tiết, nó đựoc giữ cố
định cho một chi tiết.
Điểm chuẩn của dao P: là điểm gôc của hệ toạ độ gắn trên dao cắt.
Điểm 0 lập hình: là điểm gốc 0, từ đó xác định các dữ liệu cập nhập
trong một chương trình. Điểm này có thể thay đổi
thông qua lệnh chuyển điểm 0.

1.4. QUAN HỆ GIỮA CÁC TRỤC TOẠ ĐỘ
Khi gia công trên các máy CNC người ta có thể chia các hệ trục toạ độ thành 3 loại: hệ
trục toạ đọ máy, hệ trục toạ độ chi tiết và hệ trục toạ độ của dao.
Từ hệ trục toạ độ của máy có điểm gốc M ta có thể biểu diễn được hệ toạ độ của
chi tiết và hệ toạ độ của dao bằng các phép dịch chuyển tịnh tiến hay các phép quay.
Nhờ đó ta có thể xác định đựơc vị trị của điểm trên chi tiết cần gia công cũng như vị trị
dao để gia công chi tiết.
1.5. CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY CỒNG cụ CNC.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-6-
Các máy CNC khác nhau có khả năng gia công được các bề mặt khác nhau như các
lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình, .v.v Do đó các dạng điều khiển của máy cũng được
chia ra thành: điều khiển điểm- điểm, điều khiển theo đường thẳng và điều khiển theo
biên dạng.
a) điều khiển điểm-điểm: dùng gia công cắc lỗ bằng các phương pháp
khoan, khoét, doa và cắt ren. ở đây chi tiết gia công được gá cố định trên bàn máy, dụng
cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình. Khi đạt tới đích dao bắt đầu
gia công, truờng họp này quỹ đạo của chuyển động dao là không quan trọng, điều quan
họng là vị hí gia công đạt đến phải chính xác.
b) Điều khiển theo đường thẳng.
Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển khi gia công dụng cụ cắt thực hiện lượng
chạy dao theo một đường thẳng nào đó. Khi thực hiện gia công các chuyển động theo
các trục toạ độ là độc lập không có quan hệ rằng buộc nào với trục khác.
c) Điều khiển biên dạng.
Điều khiển theo biên dạng cho phép chạy trên nhiều trục cùng một lúc. Trong trường
họp này cả hai trục để tạo ra một dạng vừa có phần thẳng vừa có phần cong, ở đây theo
các trục có quan hệ hàm số ràng buộc với nhau.
-7-
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
PHẦN II

GIỚI THIỆU CNC CYBER-MILL
CYBER- MILL là máy phay CNC phục vụ cho việc thí nghiệm có mô hình như
sau:
Các bộ phận Truyền động:
Động cơ một chiều có mang dao phay đường kính dao 3mm.
Chuyển động ăn dao:
Chuyển động ăn dao được thực hiện nhờ ba động cơ bước hoạt động độc lập nhau
mỗi động cơ loại nguồn 2A-5V và bộ Vitme/ đaiốc.
Mỗi động cơ bước thực hiện điều khiển chuyển động theo một trục nhất định trong
hệ toạ độ Đề các(X,Y,Z).
Bộ truyền động được sử dụng là Vitme/đai ốc.
Chiều dài Vít me trục z là 210 mm.
-8-
Chiều dài Vitme trục X là 380 mm.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT
NGHIỆP Chiều dài Vitme trục Y là 210 mm.
Khoảng cách các răng trên Vitme là 3mm/răng Độ rộng mỗi
răng là lmm. đường kính Vitme la Ì2mm.
Không gian làm việc : 20x40( mm X mm).
Đầu Vitme được nối với trục của động cơ bước thực hiện biến đổi chuyển động quay
tròn của động cơ bước thành chuyển động thẳng của vật mang chi tiết.
Đầu còn lại của Vitme được gá vào khung đỡ.
ở giữa của Vitme đựơc gá vào đaiốc để biến đổi chuyển động quay thành chuyển
động tịnh tiến.
Tính toán chuyển động:
Động cơ bước có số bước 200 bước/ vòng.
Do đó để thực hiện chuyển động một khoảng L theo một trục nào đó của vật mang
chi tiết thì số vòng quay phải thực hiện sẽ là L/3.
Khi đó số xung cân cấp cho động cơ bứơc sẽ là 200 .L/3.
Việc tính toán điều khiển chuyển động động cơ bước sẽ được thực hiện bằng máy

tín.
Việc thực hiện điều khiển chuyển động của động cơ bước được thiết kế như phần
rv dưới đây.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-9-
PHAÑra
ĐỘNG Cơ BƯỚC
I. GIỚI THIỆU ĐỘNG Cơ BƯỚC
1. Khái quát về động cơ bước
Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành
đặc biệt gọi là 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 rôto và có khả năng cố định rôto 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
rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của
tôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp
đặt vào cuộn dây stato(phần ứng) của động cơ bước thì rôto(phần cảm) 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 thì rôto sẽ quay liên tục.
(Thực chất là chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).
về cấu tạo, động cơ bước có thể coi là tổng họp của hai loại động cơ: Động cơ
một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có rôto thường là một nam châm
vĩnh cửu(số đôi cực 2p=2) và cần có cảm biến vị trí rôto thì động cơ bước có rôto
dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau
để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto. Động
cơ bước vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto

quay theo các bước.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-10-
Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các
bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và stato đều có các ráng
để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Nhưng động cơ đồng bộ gảim tốc
có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động
cơ bước không cần yếu tố này. Mặt khác Có thể cói động cơ bước là linh kiện số mà
ở đó các thông tin số hoá đã 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 này máy tính
yêu cầu
2. Nguyên lý hoạt động.
Rô to động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng
phương pháp tần số. Rôto của động cơ bước có thể được kích thích(rôto tích cực) hoặc
không được kích thích(rôto thụ động).
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực hoặc xung 2 cực
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo
từng cuộn dây riêng lẽ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của lực điện
từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rôto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc voà
phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-11 -
Thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen
đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai,ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó
rôto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng(ổn định ) trung với vectơ lực 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.
Khi cấp điện cho một số chẵn cuộn dây hoặc cho một số lẽ cuộn dây rôto của động
cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng, góc xê dịch giữa hai vị hí liên tiếp của rôto bằng 2ĩi/m -
Trường họp này gọi là điều khiển cả bước hay điều khiển đối xứng.

Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây, có nghĩa là
số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn
thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m. độ lớn của một bước sẽ giảm đi
một nửa bằng 2ĩi/2m - Trường hợp này gọi là điều khiển nửa bước hay điều khiển
không đối xứng.
Ta có thế tính số bước quay của rôto trong khoảng (H360
0
là:
K= m.ni.n
2
.p,
Trong đó:
p: số đôi cực của rôto;
m: số cuộn dây điều khiển trên stato(số pha);
np hệ số, ni =1 ứng với điều khiển đối xứng;
n
2
=2 ứng với điều khiển khôngđối xứng;
n
2
: hệ số, n
2
=l điều khiển bằng xung 1 cực;
n
2
=2 điều khiển bằng xugn 2 cực.
Bước quay của rôto trong không gian là a=360°/K.
3. Mômen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước
Biểu thức mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác với biểu thức mômen đồng
bộ của động cơ đồng bộ thường có cùng cấu trúc. Sự khác nhau đó là do động cơ bước

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-12-
được cấp bởi dòng điện một chiều, chứ không phải dòng điện xoay chiều.
Trong động cơ được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ, dòng điện trong
các cuộn stato là hằng số
I=U/r
s
=Const.
Từ thông mà nó sinh ra tác động vào cặp cực của rôto:
(ị)=B.S.cosa=B.S.sin0
trong đó:
B là cường độ từ trường do dòng điện I sinh ra trong cuộn dây có điện cảm L; s là
tiết diện vuông gốc của cặp cực; a là góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây
pha;
0 là góc giữa trục cặp cực và đường vuông góc với trục của cuộn dây pha;
Do 0 thay đổi nên từ dẫn dọc theo đường đi của từ thông thay đổi theo, làm cho từ
thông thay đổi trong một giới hạn rộng. Nếu viết biểu thức (ị) dưới dạng:
<|)=L.I (L là điện cảm).
Do sự thay đổi của góc (ị) cùng với sự thay đổi của khe hở không khí giữa các răng của
stato và rôto làm cho điện cảm L thay đổi theo dẫn đến từ thông (ị) và do đó mômen của
động cơ thay đổi.
Mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khi stato và rôto có răng và được kích thích,
có thể viết dưới dạng tổng quát của 3 mômen quay:
M(0)=M
S
+M
R
+M
S
R= CM.IS. (dLs/ d0)+C

M
.I
R
. (dL
R
/ d0)+2. C
M
(dL
RS
/d0)
Trong đó: Is, I
R
, L
s
(0), LR(0), L
SR
(0) là các giá trị xác lập tương ứng dòng điện, điện
cảm và hổ cảm của stato(S) và rôto(R); C
M
là hằng số, phụ thuộc vào cấu tạo của từng
loại động cơ.
Mômen Ms được hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đường đi của từ thông stato
được kích thích bởi dòng điện I
s
.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-13-
MR được hình thành do sự thay đổi từ dẫn ừên đường đi của từ thông rôto được kích
thích bởi dòng điện I
R

.
MSR được hình thành do sự thay đổi hỗ cảm giữa stato và rôto được kích thích bởi
dòng điện I
s
và IR.
Hỉện nay, phần lớn các động cơ bước đều có cấu tạo rôto không có cuộn kích thích.
Do đó biểu thức mômen có dạng đom giản sau:
M(0>=C
M
.I
s
.(dLs/d0).
Quan hệ giữa mômen với góc quay 0 thường là không hình sin do ảnh hưửng của cấu
trúc răng và cấu trúc cực lồi của stato và rôto, cũng như do xung điện áp cấp vào có
dạng xung vuông là tổng của các thành phần điều hoà.
Quan hệ của mômen M=f(0) là dường cong có dạng như sau:
TZ
đường cong mômen của động cơ bước theo gốc quay 0
Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bởi độ dốc của đường cong mômen đồng
bộ M=f(0), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc thuộc đường cong này. Độ dốc của
đường M=f(0) trong vùng này càng lớn thì suất mômen dM/d0 càng lớn và khả năng
đồng bộ của đồng bộ của động cơ bước càng lớn.
Giả sử tại một vị trí nhất định, rôto mang một mômen tải(mômen cản) M
c
. Để giữ được
rôto ở vị trí này ta phải cấp dòng điện cho cuộn dây stato tại vị trí đó và
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-14-
do góc a=0 nên M=M
max

. Điều kiện để giữ được rôto không trượt khỏi vị trí là:
Mr<M
max
Muốn quay rôto đi một gốc a rời khỏi vị trí đang giữ, ta phải cấp dòng điện cho cuộn
stato ở vị trí mới, đồng thời ngắt dòng điện của cuộn stato ở vị trí củ. Điều kiện để rôto
quay được góc a là :
M^Mmax.cosa.
Cần chú ý rằng sự chuyển bước của rôto chỉ thực hiện được trong điều kiện nhất
định, khi mà sự dịch chuyển của lực điện từ F đi một góc a không làm cho động cơ rơi
vào vùng mất ổn định của đặc tính góc M=f(0)
Nếu như góc a qua lớn thì rôto rời vào vùng mất ổn định,không bám theo được từ
trường và động cơ bị mất bước.
Trong trường hợp tổng quát, để động cơ không bị mất bước cần thực hiện điều
kiện sau:
M
c
<M
max
.cos(27ĩ/K),
trong đó: K là số bước quay
Như vậy bước quay a=360°/K càng nhỏ thì mômen tải M
c
cho phép trên trục
động cơ càng lớn.
4. Cấu tạo và phân loại động cơ bước
Để tăng số bước của động cơ(tăng độ phân giải về góc), ta cần phải tăng lượng
cuộn dây pha m và tăng số cặp cực p.
Việc tăng số lượng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế về kích thước
của stato và những trở ngại khi đặt các bobin dây quấn vào các rãnh nửa hở của stato,
đồng thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng sẽ phức tạp hơn. Do đó người ta

thường làm các động cơ bước với số lượng pha m đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha hay 5 pha;
trong đó thông dụng nhất là 2 pha và 4 pha.
Việc tăng số bước của động cơ được giải quyết bằng tăng số lượng cặp cực rôto. Rôto
động cơ bước tạo thành nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kỹ thuật đặc biệt có độ từ
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-15-
hoá cao và chịu mômen tải lớn, vì chính rôto là bộ phận chịu tải trọng cơ khí thông qua
trục của nó.
Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các bước trong khoảng từ 0,45°-^ 15° tuỳ
theo mục đích sử dụng. Trong đó thông dụng nhất hên thị trường hiện nay là loại động
cơ có góc bước 1,8°.
Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính:
- Động cơ bước có rôto được kích thích(có dây quấn kích thích hoặc
kích thích bằng nam châm vĩnh cửu).
- Động cơ bước có rôto không kích thích(động cơ kiểu cảm ứng và
động cơ kiểu phản kháng).
- Động cơ bước kiểu hỗn họp, kết họp cả hai loại hên.
II. Cơ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ BƯỚC
1. Ba chế độ(Mode) điều khiển động cơ bước.
Ta có ba chế độ điều khiển động cơ bước đó là:
a, Chế độ cả bước.
b, Chế độ điều khiển cả bước.
c, Chế độ điều khiển vi bước.
Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển các chế độ này như sau:
Hình dưới miêu tả mối quan hệ giữa các véc tơ lực điện từ Fi, F
2
của 2 cuộn dây 1 và 2
khi được cấp dòng điện đơn cực và véctơ lực điện từ tổng F Trong đó :
Fp lực điện từ tác động lên rôto khi cuộn dây 1 được kích thích;
F

2
: lực điện từ tác động lên rôto khi cuộn dây 2 được kích thích;
F: lực điện từ tổng;
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-16-
a: góc bước;
P: góc cần điều khiển(góc vi bước);
Nếu ta điều khiển sao cho Fi, F
2
có trị số không bằng nhau thì lực điện từ tổng F sẽ có
hướng thay đổi trong khoảng góc bước a(Từ cạnh OA đến cạnh OB của tam giác OAB)
và do đó vị trí của rôto thay đổi được và có thể cố định vào vị trí bất kỳ trong khoảng
góc bướca
Gọi p là góc vi bước tạo bởi vectơ Fi và F
2
, áp dụng tính chất của hình bình
hành(OACB) và các hệ thức lượng trong tam giác cho các tam giác OAB, OAC
và OAD ta có các biểu thức sau :
AB
2
=OA
2
+OB
2
-2.0A.OB.cosa.
OC
2
=OA
2
+OB

2
+2,OA.OB.cosa
(AB/2)
2
=OA
2
+(OC/2)
2
-2.0 A. (OC/2). cosp
hay: AB
2
=4.0A
2
+0C
2
-4.0A. OC.cosP
o_ OA + OBcosa
cosP= ========
\0A
2
+0B
2
+2.0A 0B.C0SCC
____n_ F+F
7
cosa
C0S
P
=
^ 2 ^p====

y¡F
2
+F 2 +2F
l
F
2
. eos a
a, điều khiển động cơ cả bước
- Đầu tiên cho F
2
=0 và Fi=F, cosP=F/F=l nên góc p=0, rôto ở vị hí
trục cuộn dây 1.
- Sau đó cho Fi=0 và F
2
=F, cosP=cosa hay p=a, Rôto ở vị trí trục
cuộn dây 2.
b, Điều khiển nửa bước
- Đâu tiên cho F
2
=0 và Fi=F, rôto ở vị trí trục cuộn dây 1.
- Tiếp theo cho FI=F
2
=F,
1 + cosa _ 2cos
2
(a/2)
V3T + cosa)
A
/4cos
2

(ar/2)
-17-
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
cosP=cos(a/2), p= a/2. Rôto ở vị trí chính giữa góc a.
- Sau đó cho Fi=0 và F
2
=F, rôto sẽ ở vị trí trục của cuộn dây thứ 2.
Trong trường họp này rôto sẽ chuyển động từng bước 0=a/2,(P=O, a/2, a) c,
Điều khiển vi bước:
Nếu ta điều khiển sao cho lực Fi giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F
2
tăng
dần từng bước từ 0 đến F thì rôto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến OB.
Trên thực tế, để rôto có thể quay được các bước đều, chẳng hạn theo vi bước 0(ví dụ
0=a/lO), thì phải giải phương trình (11) để tìm Fi và F
2
ứng với các góc quay p=0, 20,
30, , n0. Phương hình (11) là một phương trình bậc 2 với hai ẩn số, về nguyên tắc là
không giải được. Nhưng với điều kiện bên nhất định phương trình(l 1) sẽ giải được.
2. Các đặc trưng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bước
Đối với động cơ bước, tín hiệu điện điều khiển 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 mức 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 mômen tải).
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau đây: a,
Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào được cấp điện:
- Đối với động cơ phản kháng: rôto sẽ quay trơn.

- Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hổn họp: có mômen
hãm, rôto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép kín từ thông giữa các cực của
rôto và stato là nhỏ nhất.
b, Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều. Rôto mang
tải sẽ được giữ chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ.
-18-
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
c, Trạng thái dịch chuyển bước: rôto 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.
d, Trạng thái quay quá giới hạn: ừong chế độ khồng tải, nếu xung điều khiển có
tần số quá cao, động Cữ 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 dưới tốc độ tới hạn để hoạt động
trong chế độ bước.
chỉ có hai trạng thái b và c là được coi là trạng thái làm việc.
3. Giới thiệu ba điều khiển dòng điện I và điện áp u
3.1. mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp u
Trong số liệu kỹ thuật của động cơ bước ta chú ý đến 4 tham số quan trọng sau:
- Điện áp danh định U;
- Dòng điện danh định I;
- Điện trở cuộn dây pha R;
- Điện cảm cuộn dây pha L;
Sơ đồ cấp điện đơn giản cho 1 cuộn dây pha như sau:
Vcc« điện áp nguồn cấp;
R
s
: Điện trở nguồn cấp;
D : điôt dumper (làm nhụt - xả năng lượng).
R
-19-

Ki: chuyển mạch điện tử cho cuộn dây pha thứ i.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-20-
Trạng thái giữ, khoá K đóng liên tục, người ta thường cấp dòng điện I hoặc điện
áp u bằng khoảng 65°/cn-100% giá trị danh định.
Vì là dòng một chiều nên ở chế độ giữ, điện cảm L không làm sụt áp, ta có
phương trình:
Vcc
=
I.Rs+ER;
Vcc = I.Rs+U;
từ đây ta có ba cách cấp điện ở chế độ giữ như sau:
- Cấp bằng nguồn ổn áp: Rs=0; Vcc
=
U;
- Cấp bằng nguồn dòng có Icc
=
E
- Cấp bằng nguồn ổn áp có nguồn cấp cao hơn u và mắc điện hở nối
tiếp R
s
.
Muốn cho động cơ quay một bước thì phải ngắt dòng điện cuộn thư i (mở KỊ)
và đống khoá Kj cho dòng điện đi vào cuộn dây thứ j. Giả thiết rằng các khoá điện tử KỊ
và Kj đóng ngắt tức thì(t=0).
Tại cuộn dây thứ i(cuộn dây bị ngắt) ở đầu điôt D xuất hiện suất điện động và
năng lượng từ trường Li
2
/2 sẽ được giải phóng qua điốt D Tại cuộn dây thứ j ta có
phương trình : Vcc= E+L.(di/dt)+i.r; trong đó:

Vcõ điện áp một chiều cấp vào;
r=R
s
+R: tổng trở toàn mạch; i: dòng
điện tức thời trong cuộn dây;
E: suất điện động quay, cảm ứng trong cuộn dây stato bởi từ trường của
nam châm vĩnh cửu của rôto, chỉ tồn tại khi rôto đang quay từ vị trí thứ i sang vị
trí thứ j, khi rôto đứng yên ở trạng thái giữ thì E=0; i=(Vcc-E)/r.(l-e
OT
)
Giải phương hình vi phân trên ta được biểu thức cho dòng điện:
Trong đó: T=L/r- hằng số thời gian.
Như vậy là dòng điện không xác lập ngay lập tức mà tăng lên từ từ:
- Khi bắt đầu khởi động (E=0), dòng điện tăng với hệ số góc Vcc/L,
- Sau điểm khởi động, dòng điện tăng với hệ số góc (Vcc-E)/L cho
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-21 -
đến khi rôto dừng ở vị trí mới, lúc đó dòng điện đạt tới giá trị lo.
- Sau khi rôto dừng ở vị trí mới,dòng điện tiếp tục tăng với hệ số góc
Vcc/L đến giá trị xác lập Vcc/r.
Đặc tuyến thời gian(và góc) của dòng điện stato được biểu diễn tren hình sau:
Từ các kết quả trên rút ra những nhận xét quan trọng sau:
a, phải thiết kế sao cho dòng điện xác lập không vượt quá dòng điện tối đa cho
phép(Vcc/r^Imax) nếu sau khi quay một bước rôto dừng và duy trì ở vị trí ở vị trí giữ.
b, Nếu sau khoảng thời gian ti, rôto quay xong góc bước 0, ta lại chuyển mạch để
rôto quay bước tiếp theo thì dòng điện không bao giờ đạt tới giá trị xác lập. Điều đó giải
thích tại sao khi quay với tốc độ lớn dòng điện cấp cho động cơ lại nhỏ.
c, Nếu tăng tỷ số Vcc/r thì thời gian để động cơ quay một bước (ti) sẽ nhỏ đi do
dòng điện đạt đến giá trị lo nhanh hơn. Điều đó giải thích tại sao muốn cho động
Cơ quay nhanh thì phải cấp điện áp cao. (Điện áp này lớn gấp nhiều lần điện áp danh

định u của động cơ, cho theo Catalog).
d, Nếu dòng điện chua đạt đến giá trị lo khi t<ti mà đã ngắt nguồn thì không chắc chắn
động cơ sẽ quay được một bước(mất bước). Điều này người thiết kế phải tính đến khi
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-22-
chọn các khoá điện tử.
3.2. Điều khiển dòng-áp băng hệ số L/R
Đây là cách đơn giản nhất,chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất rất nhỏ.
Bản chất của kiểu điều khiển này là khi ở trạng thái ở trạng thái giữ thì nguồn chịu tải
chính là R-s, khi dịch bước thì nguồn chịu tải chính là cảm kháng Z
L
.
Muốn cho động cơ quay với tốc độ cao thì phải chọn Vcc lớn, trên thực tế là bằng 7-Ỉ-
15 lần điện áp định mức u. Do đó khi ở chế độ giữ, công suất tiêu tán trên điện trở nối
tiếp Rs rất lớn:
P=Í.R
5
=(VCC-U)
2
/R
5
Công suất tổn hao này một mặt lãng phí, mặt khác có thể làm nỏng và cháy điện trở
nối tiếp Rs.
3.3. Điều khiển dòng-áp bằng độ rộng xung:
Xuất phát từ nhận xét d, bản chất của kiểu điều khiển này như sau:
- Ở chế độ dịch bước,cuộn dây pha được cấp một xung có độ rộng sao cho rôto
có thể dịch được bước, nghĩa là dòng i đạt đến mức Io<i<Imax-
- Sau khi dịch bước,ở chế độ giữ, ta không cấp dòng một chiều(như phương án
hệ số L/R) mà cấp xung điện áp cao và tần số cao hơn. Lúc này điện cảm L của cuộn
dây pha có tác dụng như một bộ lọc tích phân và dòng điện trung bình làm nhiệm vụ

sinh ra mômen giữ.
Sơ đồ điện áp và dòng điện của cuộn dây pha trong trường hợp này như
sau:
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
-23 -
Sơ đồ xung điện áp và dòng điện của cuộn dây stato khỉ điều
khiển bằng độ rộng xung Kinh nghiệm cho thấy, đối với phần lớn các loại động cơ
bước, tần số xung trong lúc giữ là 20 kHz; còn độ rộng xung chủ yếu khảo sát thực tế
đối với từng loại động cơ bước, hoặc tính được từ phương trình 27 khi biết chắc chắn
các tham số I, u, L của loại động cơ bước đó, hoặc được khống chế tự động nhờ việc
theo dõi dòng điện i trong cuộn dây pha.
Kiểu điều khiển này có một số nhược điểm sau:
- Mạch điều khiển phức tạp và đòi hỏi transiste làm nhiệm vụ khoá
điện tử phải có tốc độ đóng cắt nhanh, công suất lớn.
- Trong thời gian giữ, từ trường thay đổi liên tục làm nóng động cơ;
đồng thời transiste đóng cắt cũng liên tục phải chịu các xung điện áp thận nghịch khá
cao nên ở mức độ nào đó cũng bị nóng.
- Không áp dụng cho chế độ vi bước.
- các xung điện áp cao và tần số cao cùng với từ trường thay đổi liên
tục gây nhiễu radio và nhiễu điện từ trường, nhiều khi làm cho mạch điều khiển không
hoạt động.
-24-
Chuuyển. bước
Chuyển pha
.
tk
Giữ
<7 > r< >
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
3.4. Điều khiển dòng-áp bằng điện áp hai mức

Kiểu điều khiển này dựa theo nguyên tắc sau:
- Khi ở chế độ giữ, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp thấp, đúng
bằng điện áp danh định u, và do đó dòng điện cũng đạt tới danh định nhưng không có
công suất tiêu tán trên nguồn
- Khi ở chế độ dịch bước, đồng thời với việc cấp xung điều khiển, ta
cấp cho cuộn dây pha một điện áp Vcc rất cao và đo dòng điện ứong cuộn dây. Khi
dòng điện đạt đến giá ừị đủ để động cơ quay một bước, ta ngắt điện áp cao và đưa điện
áp thấp vào.
/■
Giản đồ xung điều khiển điện áp 2 mức
Tại thời điểm to khi cuộn dây pha được cấp dòng để chuyển bước, xung x
c
cũng lên 1
để cấp điện áp cao Vcc bằng bóng bán dẫn Ti. Lúc đó điot D tự động khoá nguồn u do
có phân cực ngược (Vcc^U). Dòng điện bắt đầu tăng dần cho đến khi: Ì.Rs=ImaxRs
=
Us
thì bộ so sánh C1 xuất ra xung XRS xóa tín hiệu Xc, Ti ngắt điện áp cao Vcc ra khỏi
mạch, lấp tức điôt D đóng nguồn thấp u để duy trì ữạng thái giữ của rôto.
-25-
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
Xung điều khiển x
đk
vẫn được duy trì cho đến khi việc điều khiển được chuyển sang
cấp điện cho pha khác và không cấp điện cho pha nay
PHẦN rv
GIỚI THIỆU VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ BƯỚC L297 VÀ L298
1. Vi mạch điểu khiển động cơ bước L297.
Hãng sản xuất: SGS- THOMSON Microelectronics.
Vi mạch L297 tích họp tắt 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 kiễu 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.
Vi mạch điều khiển động cơ bước L297 trước hết sử dụng cùng với cầu công
xuất L298 hoặc L293E trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước.
L297 nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống điều khiển, thường là chip vi xử lý
trung tâm và tạo ra tất cả các dạng xung điều khiển cho tầng công suất. Hơn thế nữa, nó
bao hàm hai bộ chopper điều khiển độ rộng xung PWM để điều khiển dòng điện trong
các cuộn dây pha.
Với việc hạn chế công suất phù hợp, L297 điều khiển được động cơ nam châm
vĩnh cửa 2 pha, động cơ nam châm vĩnh cửu 4 pha và động cơ có từ trở thay đổi 4 pha.
Ngoài ra, nó có thể điều khiển ở cả hy chế độ cả bước hay nửa bước.
CÁC ƯU ĐIỂM
Vi mạch L297 cộng với mạch công suất L298 có nhiều ưu điểm: cần ít lỉnh kiện,
yêu cầu phần mềm rất đơn giản nên giảm tải cho bộ vi xử lý. Thêm vào đó, việc lựa
chọn cặp vị mạch đồng bộ (L297 và L298) có độ linh hoạt nhất định. Bản