Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển động cơ bước dùng vi xử lý
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (820.63 KB, 41 trang )
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Hưng Yên, Ngày… tháng 11 năm 2011
Giáo viên hướng dẫn:
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
1
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 5
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 6
1.1 . Giới thiệu về động cơ bước 6
1.1.1 Tổng quan về động cơ bước 6
1.1.2 Hoạt động của động cơ bước 8
1.1.3 Phân loại động cơ bước: 8
1.1.4 Một số thông số và khái niệm 14
1.1.5 Các chế độ điều khiển động cơ bước 16
1.2 Kết luận 17
CHƯƠNG II: VI XỬ LÝ 89C51 19
2.1 Cấu tạo phần cứng 19
2.1.1 Sơ đồ chân và chức năng của các chân của 80C51 và 89C51 19
2.1.2. Cấp xung clock cho 8051: XTAL 18, 19: 22
2.2 Mạch cơ bản để 89C51 làm việc: 23
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU,THIÊT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 23
3.1 Mô hình chuyển động của thanh truyền 23
3.1.1 Yêu cầu đề tài 23
3.1.2 Mô hình của thanh chuyển động 23
3.2 Thiết kế mạch điều khiển và mạch lực: 24
3.1.1 Chọn động cơ bước 24
3.1.2 Kết nối Vi Điều khiển với động cơ bước: 25
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý của mạch 25
3.3.1 Lưu đồ thuật toán: 25
3.3.2 Chương trình điều khiển : 26
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
2
3.4 Mạch nguồn : 31
3.4.1. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 31
3.4.2. Sơ đồ đi dây khối nguồn 31
3.4.3. Sơ đồ bố trí linh kiện khối nguồn 33
3.5 Khối điều khiển của mạch 34
3.5.1 Sơ đồ nguyên lý : 34
3.5.2 Nguyên lý hoạt động của mạch: 35
3. 5.3 Tính toán thông số điều khiển động cơ bước 36
3.5.4 Sơ đồ đi dây khối điều khiển 36
3.5.5 Sơ đồ bố trí linh kiện khối điều khiển 37
3.6 Tính chọn các linh kiện điện tử cho mạch điều khiển 38
3.6.1 Transistor H1061 39
3.6.2 IC đệm dòng 74HC245: 40
3.7 Tính chọn linh kiện điện tử cho mạch nguồn 40
KẾT LUẬN 41
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
3
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
4
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh mẽ và
nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn của ngành kĩ thuật
điện tử, kĩ thuật vi xử lý.
Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , Kĩ thuật vi
xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được
mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm
nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong
ngành kỹ thuật điện tử.
Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi
người. Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế mạch điều khiển động cơ bước dùng vi xử lý ”. Với sự hướng dẫn của Thầy:
chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài. Thông qua
đề
tài này chúng em s
ễ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý
báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình trên con đường đã chọn.
Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường,
qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô
giáo và các bạn đồ án môn học của chúng em đã hoàn thành. Mặc dù đã cố gắng
nghiên cứu và trình bày nhưng không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy
chúng em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến để đồ án
môn học này hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện :
!
"#$%
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
5
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1 . Giới thiệu về động cơ bước
&'&'&()*+,-!. /
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển
mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong
trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ
tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt,
các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố
định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển
động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích
hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
Hình1.1:
Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả
hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng
cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog. Đặc biệt,
điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số
mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó
dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
6
S
B
S
C
A
N
N
D
N
O
S
Hướng
Bắc
Hướng
Nam
Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và
nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ
thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ
servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác
trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;
những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi
tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín
với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các
giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; servo motor thì
không xảy ra vấn đề này.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa
số các loại động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng đẻ
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 roto có khả năng cố định roto vào các vị
trí cần thiết.
Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động
cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
7
S
B
S
C
A
N
N
D
N
O
S
&'&'01,-2,-!. /
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước
nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch
điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo 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 rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
&'&'3451,-!. /
Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và từ biến trở ( cũng có
loại động cơ hỗn hợp, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm châm vĩnh
cửu).Nếu mất đi nhãn động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng
các giác quan mà không cần cấp điện cho chúng, Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như
có
các
nấc
khi
bạn
dùng
tay
xoay
nhẹ
rotor
của chúng,
trong
khi
động
cơ
biến
từ
trở
thì
dường
như
xoay
tự
do
(mặc
dù
cảm thấy
chúng
cũng
có
những
nấc
nhẹ
bởi
sự
giảm
từ
tính
trong
rotor).
Bạn
cũng
có
thể
phân
biệt
hai
loại
động
cơ
này
bằng
ohm
kế.
Động
cơ
biến
từ
trở
thường
có
3
mấu,
với
một
dây
về
chung,
trong
khi
đó,
động
cơ
nam
châm
vĩnh
cửu
thường
có
hai
mấu
phân
biệt,
có
hoặc
không
có
nút
trung
tâm.
Nút
trung
tâm
được dùng
trong
động
cơ
nam
châm
vĩnh
cửu
đơn
cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém quay 90 độ mỗi bước,
trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cuuwr xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72
độ mỗi bước.
&'&'3'&-!.678
Hình 1.3: Động cơ biến từ trở
Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây được nối như hình 1.2, với một đầu nối chung
cho tất cả các cuộn dây, thì nó chắc chắn là một động cơ từ trở. Khi sử dụng, dây nối
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
8
chung (C ) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự
liên tục.
Dấu
thập
trong
hình
1.2
là
rotor
của
động
cơ
biến
từ
trở
quay
30
độ
mỗi
bước.
Rotor
trong
động
cơ
này
có
4
răng
và
stator
có
6
cực,
mỗi
cuộn
quấn
quanh
hai cực
đối
diện.
Khi
cuộn
1
được
kích
điện,
răng
X
của
rotor
bị
hút
vào
cực
1.
Nếu dòng
qua
cuộn
1
bị
ngắt
và
đóng
dòng
qua
cuộn
2,
rotor
sẽ
quay
30
độ
theo chiều
kim
đồng
hồ
và
răng
Y
sẽ
hút
vào
cực
2.
Để
quay
động
cơ
này
một
cách
liên
tục,
chúng
ta
chỉ
cần
cấp
điện
liên
tục
luân
phiên
cho
3
cuộn.
Theo
logic
đặt
ra,
trong
bảng
dưới
đây
1
có
nghĩa
là
có
dòng điện
đi
qua
các
cuộn,
và
chuỗi
điều
khiển
sau
sẽ
quay
động
cơ
theo
chiều
kim đồng
hồ
24
bước
hoặc
2
vòng:
Cuộn
1
1001001001001001001001001
Cuộn
2
0100100100100100100100100
Cuộn
3
0010010010010010010010010
thời
gian
‐‐
&'&'3'0-!,!9
Hình 1.4: Động cơ đơn cực
Động
cơ
bước
đơn
cực,
cả
nam
châm
vĩnh
cửu
và
động
cơ
hỗn
hợp,
với
5,
6
hoặc
8
dây
ra
thường
được
quấn
như
sơ
đồ
hình
1.4
với
một
đầu
nối
trung
tâm
trêncác
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
9
cuộn.
Khi
dùng,
các
đầu
nối
trung
tâm
thường
được
nối
vào
cực
dương nguồn
cấp,
và
hai
đầu
còn
lại
của
mỗi
mấu
lần
lượt
nối
đất
để
đảo
chiều
từ trường
tạo
bởi
cuộn
đó.
Mấu
1
nằm
ở
cực
trên
và
dưới
của
stator,
còn
mấu
2
nằm
ở
hai
cực
bên
phải
và
bên
trái
động
cơ.
Rotor
là
một
nam
châm
vĩnh
cửu
với
6
cực,
3
Nam
và
3
Bắc, xếp
xen
kẽ
trên
vòng
tròn.
Để
xử
lý
góc
bước
ở
mức
độ
cao
hơn,
rotor
phải
có
nhiều
cực
đối
xứng
hơn. Động
cơ
30
độ
mỗi
bước
trong
hình
là
một
trong
những
thiết
kế
động
cơ
nam
châm
vĩnh
cửu
thông
dụng
nhất,
mặc
dù
động
cơ
có
bước
15
độ
và
7.5
độ
là
khá lớn.
Người
ta
cũng
đã
tạo
ra
được
động
cơ
nam
châm
vĩnh
cửu
với
mỗi
bước
là 1.8
độ
và
với
động
cơ
hỗn
hợp
mỗi
bước
nhỏ
nhất
có
thể
đạt
được
là
3.6
độ
đến1.8
độ,
còn
tốt
hơn
nữa,
có
thể
đạt
đến
0.72
độ
Như
trong
hình,
dòng
điện
đi
qua
từ
đầu
trung
tâm
của
mấu
1
đến
đầu
a
tạo
ra
cực
Bắc
trong
stator
trong
khi
đó
cực
còn
lại
của
stator
là
cực
Nam.
Nếu
điện
ở mấu
1
bị
ngắt
và
kích
mấu
2,
rotor
sẽ
quay
30
độ,
hay
1
bước.
Để
quay
động
cơ một
cách
liên
tục,
chúng
ta
chỉ
cần
áp
điện
vào
hai
mấu
của
đông
cơ
theo
dãy:
!!""# !!""#
Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy
nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trái
chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì vậy, nó dùng ít
năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ
tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên trái 1,4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
10
&'&'3'3-!9
Động
cơ
nam
châm
vĩnh
cửu
hoặc
hỗn
hợp
hai
cực
có
cấu
trúc
cơ
khí
giống
y
như
động
cơ
đơn
cực,
nhưng
hai
mấu
của
động
cơ
được
nối
đơn
giản
hơn,
không
có
đầu
trung
tâm.
Vì
vậy,
bản
thân
động
cơ
thì
đơn
giản
hơn,
nhưng
mạch
điều
khiển
để
đảo
cực
mỗi
cặp
cực
trong
động
cơ
thì
phức
tạp
hơn.
Minh
hoạ
ở
hình
1.5
chỉ
ra
cách
nối
động
cơ,
trong
khi
đó
phần
rotor
ở
đây
giống
y như
ở
hình
1.4
Hình 1.5: Động cơ hai cực
Mạch
điều
khiển
cho
động
cơ
đòi
hỏi
một
mạch
điều
khiển
cầu
H
cho
mỗi
mấu;điều
này
sẽ
được
bàn
chi
tiết
trong
phần
Các
mạch
điều
khiển.
Tóm
lại,
một
cầu
H
cho
phép
cực
của
nguồn
áp
đến
mỗi
đầu
của
mấu
được
điều
khiển
một
cách độc
lập.
Các
dãy
điều
khiển
cho
mỗi
bước
đơn
của
loại
động
cơ
này
được
nêu bên
dưới,
dùng
+
và
‐
để
đại
diện
cho
các
cực
của
nguồn
áp
được
áp
vào
mỗi đầu
của
động
cơ:
Đầu
1a
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐ +
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
Đầu
1b
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐ ‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
Đầu
2a
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐ ‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
Đầu
2b
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+
‐
‐
‐
+ +
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
+
‐
‐
+
Thời
gian
>
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
11
Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực,
ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai
loại động cơ này là giống nhau.
Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra
và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều khiển dưới
đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên:
Enable 1 :1010101010101010 1111111111111111
Hướng 1 :1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100
Enable 2 :0101010101010101 1111111111111111
Hướng 2 :x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110
thời gian >
Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây
biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có
4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau,
thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ
hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như
với động cơ đơn cực điên thế thấp.
&'&'3':-!+;
Một
bộ
phận
các
động
không
được
phổ
biến
như
những
loại
trên
đó
là
động
cơ
nam
châm
vĩnh
cửu
mà
các
cuộn
được
quấn
nối
tiếp
thành
một
vòng
kín
như
hình
3.4.
Thiết
kế
phổ
biến
nhất
đối
với
loại
này
sử
dụng
dây
nối
3
pha
và
5
pha.
Hình 1.6: Động cơ nhiều pha
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
12
Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ
nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như $
Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần
½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp
moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước. Một vài động
cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500 bước mỗi vòng).Với một
động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây:
%&'''""""'''''"""""''
%&""'''''"""""'''''"""
%&('"""""'''''"""""''''
%&)'''''"""""'''''"""""* !!""#
%&+""""'''''"""""'''''"
Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối
vàocực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ
có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó (bởi vì
cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ
trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển
động cơ quay 2 vòng.
Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng,
nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu
không liên tiếp sẽ là 1.5R.
Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây
dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụng
mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi
một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử,
có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
13
&'&':<-=>=>*?@'
&'&':'&AB. /
Mỗi bước dịch chuyển bao nhiêu là tuỳ thuộc vào cấu trúc bên trong của động cơ,
đặc biệt là số răng của roto và stator. Góc bước là độ quay nhỏ nhất của một bước. Các
động cơ khác nhau có góc bước khác nhau (bảng 2).
Các góc bước của động cơ.
Bảng 2:
Góc bước Số bước/vòng
0.72 500
1.8 200
2.0 180
2.5 144
5 72
7.5 48
15 24
&'&':'0'. /C4#*?=>*D)#C;E<'
Quan hệ giữa số vòng quay/phút RPM (revolutions per minute), với số bước của
mỗi vòng quay và số bước/giây là quan hệ trực quan và được biểu diễn như sau:
Số bước trong giây =
60
,-
x số bước trong vòng quay.
&'&':'3'FG. /*?=>HI'
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
14
Chuỗi xung chuyển mạch nêu ở bảng 1 được gọi là chuỗi xung chuyển mạch bốn
bước, bởi vì sau 4 bước thì hai cuộn dây giống hệt nhau sẽ được bật. Sau bốn bước này
động cơ chỉ quay được một bánh răng. Do vậy số bánh răng của động cơ có thể tính:
Số bánh răng= số bước/ vòng:4
Như vậy có thể kết luận góc bước tối thiểu của động cơ là hàm của số bánh răng.
Ở đây xảy ra trường hợp khi góc bước của động cơ là chẵn mà muốn động cơ quay
với số bước là lẻ thì làm thế nào? Ví dụ khi góc bước là 2 độ muốn động cơ quay 1 độ.
Vậy muốn có độ phân giải nhỏ hơn thì động cơ bước cần dùng chuỗi chuyển mạch 8 bước
thay cho 4 bước nêu trên, chuỗi 8 bước còn gọi là chuỗi nửa bước (half stepping), vì ở
mỗi chuỗi 8 bước ,thì mỗi bước là một nửa góc bình thường.
Bảng chuỗi xung 8 bước
Chiều kim
đồng hồ
Bước
Cuộn
dây A
Cuộn
dây B
Cuộn
dây C
Cuộn
dây D
Chiều quay
bộ đếm
1 1 0 0 1
2 1 0 0 0
3 1 1 0 0
4 0 1 0 0
5 0 1 1 0
6 0 0 1 0
7 0 0 1 1
8 0 0 0 1
Bảng 1
&'&':':'>,-,-!'
Tốc độ của động cơ được đo bằng số bước dịch được trong vòng 1 giây là hàm của
tốc độ chuyển mạch. Bằng cách thay đổi thời giam trễ thì ta có thể thay đổi được tốc độ
quay khác nhau.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
15
&'&':'J<KL'
Mômen giữ được định nghĩa là lượng mômen ngoài cần thiết để làm quay trục
động cơ từ vị trí giữ của nó với điều kiện trục động cơ đang đứng yên. Đại lượng này
được đo bằng tỷ lệ điện áp và dòng điện cấp đến động cơ. Đơn vị của mômen giữ là kg –
cm
&'&'JF6,-,+@M,-!. /'
- Điều khiển cả bước
- Điều khiển nửa bước
- Điều khỉên vi bước
Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước:
&'&'J'&'>*/,-!. /NO,+@M5?GP1@66;.
Việc điều khiển động cơ phụ thuộc vào các tham số sau:
Dòng điện I kể cả cực tính ( liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U ).
Độ rộng xung (liên quan đến góc quay ).
Tấn số xung ( liên quan đén góc quay ).
Cách thức cấp xung bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp điện ( liên quan
đến chiều quay và momen tải ).
&'&'J'0'Q#-*?*R;G,,-!. /B.>1=,4#:
*./!0.10!01234567!8:
Đối với động cơ phản kháng roto sẽ quay trơn.
Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu động cơ kiểu hỗn hợp: có momen hãm có xu hướng
dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực của roto và stato nhỏ nhất.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
16
*./!!9: Khi 1 cuộn dây pha được cấp điện 1 chiều roto mang tải sẽ được giữ chặt
ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra momen giữ.
*./!2:4;: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang bước sang vị trí
bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp.
*./!</!!.: 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 đảo chiều, không thể dừng
đúng vị trí nhưng vẫn tiến và giảm tốc từ từ.
1.2 Kết luận
Qua chương này, chúng ta đã có thể phân biệt các loại động cơ như động cơ biến
từ trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực, và động cơ nhiều pha dựa vào cảm nhận bằng
tay khi quay rotor và dùng Ohm kế. Việc phân biệt các cặp đầu ra của các cuộn dây cũng
có thể suy ra từ việc dùng.
Ohm kế để đo các đầu dây. Tuy nhiên, việc xác định cặp dây ra của từng cuộn dây
trong động cơ đơn cực hơi khó khăn hơn một chút.
Để phân biệt hai cặp dây của động cơ đơn cực 5 dây, trước tiên chúng ta dung.
Ohm kế để xác định dây nối trung tâm. Áp điện áp xoay chiều vào dây trung tâm và một
trong 4 dây còn lại. Dùng Volt kế xoay chiều đo điện áp giữa dây nối trung tâm và 3 dây
còn lại. Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa dây trung tâm với 2 trong 3 dây còn lại đó gần
như bằng không, và với dây thứ ba thì gần như bằng điện áp xoay chiều áp vào động cơ.
Như vậy, hai dây cho điện áp gần bằng 0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai.
STU2,-!. /
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc
biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng
trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự
trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám
mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,
điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
17
mềm, máy in
STEP có 5 đặc tính cơ bản sau:
• Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than.
• Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm
moment của động cơ.
• Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng ta có thể đếm
xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí,
nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử
dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở …
• Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động cơ
DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều.
• Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo
chiều quay một cách dễ dàng.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
18
CHƯƠNG II: VI XỬ LÝ 89C51
2.1 Cấu tạo phần cứng
0'&'&V!,4*?%H242WXFJ&*?WYFJ&'
Hình 4.1Các chân của vi điều khiển
Chức năng của các chân:
-Port 0 (chân 32-39) : cổng xuất nhập hoặc đường địa chỉ hoặc dữ liệu
-Port 1 (chân 1-8) : cổng xuất nhập
-Port 2 (chân 21-28): cổng xuất nhập hoặc đường địa chỉ hoặc dữ liệu
-Port 3 (chân 10-17): cổng xuất nhập, ngoài ra các chân còn có chức năng riêng:
P3.0 : RXD (nhận dữ liệu nối tiếp)
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
19
P3.1 : TXD (truyền dữ liệu nối tiếp)
P3.2 : INT0 (ngắt ngoài 0)
P3.3 : INT1 (ngắt ngoài 1)
P3.4 : T0 (ngõ vào timer/counter 0)
P3.5 : T1 (ngõ vào timer/counter 1)
P3.6 : WR (xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài)
P3.7 : RD (xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài)
-VCC (chân 40): nguồn dương = 5v
-VSS hay GND (chân 20): = 0v
- RST (chân 9) : reset
- XTAL 1,2 (chân 18,19): ngõ vào bộ dao động
- /PSEN ( chân 29): Chân cho phép đợc bộ nhớ chương trình ngoài (ROM ngoài)
- ALE(/PROG)(chân 30): Chân tín hiệu cho phép chốt địa chỉ để truy cập bộ nhớ ngoài
khi On – chip xuất ra byte thấp của địa chỉ. Tín hiệu chốt được kích hoạt ở mức cao, tần
số xung chốt = 1/6 lần tần số dao động của bộ VĐK. Nó có thể được dung cho các bộ
Timer ngoài hoặc cho mục đích tạo xung Clock. Đây cũng là chân nhận xung vào để nạp
chương trình cho Flash (hoặc EEPROM) bên trong On – chip khi nó ở mức thấp.
- /EA/VPP(chân 31): Chân cho phép On – chip truy cập bộ nhớ chương trình ngoài khi
/EA=0, khi /EA=1 thì On – chip sẽ làm việc với bộ nhớ chương trình nội trú. Khi chân
này được cấp nguồn điện áp 12V(VPP) thì On – chip đảm nhận chức năng nạp chương
trình cho Flash bên trong nó.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
20
Reset bằng tay Reset khi cấp nguồn
- Nút ấn:
- Trạng thái của các thanh ghi khi reset, khi reset thì trạng thái của RAM nội không bị
thay đổi
Register Content
Program counter (PC) 0000h
Accumulator (A) 00h
B register (B) 00h
PSW (Thanh ghi trạng thái chương trình) 00h
SP (Stack pointer – Thanh ghi ngăn xếp) 07h
DPTR (Con trỏ dữ liệu) 0000h
All ports (Các port P0,1,2,3) FFh
IP (Thanh ghi ưu tiên ngắt) XXX00000b
IE (Thanh ghi điều khiển ngắt ) 0XX00000b
All timer registers ( tất cả các thanh ghi của bộ định thời ) 00h
SCON 00h
SBUF 00h
PCON (HMOS) 0XXXXXXXb
PCON (CMOS) 0XXX0000b
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
21
0'&'0'FR;G5@WXJ&: XTAL 18, 19:
Dùng thạch anh Dùng cổng logic
Tụ gốm có trị số từ 27pF - 33pF để ổn định làm việc cho thạch anh, thường dùng loại
33pF.
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
22
2.2 Mạch cơ bản để 89C51 làm việc:
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU,THIÊT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
3.1 Mô hình chuyển động của thanh truyền
3'&'&ZI,+?
Thanh chuyển động tịnh tiến theo chiều thẳng đứng
3'&'0<[2#M,-
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
23
1- Thanh chuyển động theo động tịnh tiến theo chiều thẳng đứng
2- Hôp bao ngoài thanh chuyển động
3- Xích
3.2 Thiết kế mạch điều khiển và mạch lực:
3'&'&F,-!. /
Theo yêu cầu của đề tài chọn động cơ bước để điều khiển thanh chuyển động tịnh
tiến nên chọn loại động cơ có các thong số như sau:
-Loại động cơ: đông cơ đơn cực có 6 đầu dây
-Tên động cơ : KH42JM2B032
-Thông số động cơ: 1,8 DEG; 5V- 0.9A
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
24
-Cách điều khiển đông cơ : Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện
vào hai mấu của động cơ theo dãy.
Mấu 1a 1100 1100 1100 1100 1100 11001
Mấu 2a 0110 0110 0110 0110 0110 01100 thời gian > thời gian >
Mấu 1b 0011 0011 0011 0011 0011 00110
Mấu 2b 1001 1001 1001 1001 1001 10011
3'&'06>\+@M*/,-!. /
- Tín hiệu vào ở cổng P2 với các bít từ P2.0 đến P2.4 : cổng điều khiển các chương trình
- Tín hiệu ra ở cổng P3 với các bít từ P3.0 đến P3.3 : kết nối với mạch lực điều khiển
động cơ bước
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý của mạch
3'3'&] ,^
GVHD:TRẦN QUANG PHÚSVTH: ĐỖ THỊ DIỆU
HƯƠNG
NGUYỄN ĐỨC KHÁNH
25
KT
P2.0=
0
KT
P2.1=
0
Chạy nhanh
END
Begin
KT
P2.2=0
KT
P2.3=
0
Chạy chậm
Đảo chiều
KT
P3.0=
0
KT
P3.4=
0
Chạy nhanh
END
Begin
KT
P3.5=0
KT
P3.3=
0
Chạy chậm
Đảo chiều
