Điều khiển động cơ bước (rôbốt tự hành)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
KĨ THUẬT ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
GVHD: TRẦN VĂN HÙNG
SVTH : VŨ ĐỨC THẮNG
MSSV : 4913033048
LỚP : 49CTU
Đề tài:
Điều khiển động cơ bước (rôbốt tự hành)
LỜI NÓI ĐẦU
Cơ điện tử là một trong những nghành học mới ở nước ta, trong giai đoạn công
nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước ngày nay và trong tương lai nó đã và đang khẳng định
được vai trò quan trọng của mình.Cơ điện tử là sự kết hợp của ba chuyên nghành là cơ
khí, tin học và điện tử mà sản phẩm của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần tăng
năng suất và giải phóng sức lao động của con người.
Kĩ thuật vi điều khiển là một môn học của nghành cơ điện tử. Nó được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa .Kĩ thuật vi điều khiển có kiến
trúc nhỏ gọn hơn nhiều xo với kĩ thuật số do nó được tích hợp một cách tinh vi và có khả
năng lập trình được nên việc thay đổi giải thuật điều khiển sẽ dễ dàng hơn.
Đề tài mà em thực hiện ở đây là sử dụng vi điều khiển để điều khiển rôbốt chuyển
động theo ý muốn của người điều khiển.
Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự dạy bảo tận tình của thầy giáo cùng
sự trợ giúp của các bạn và các tài liệu có liên quan. Em đã hoàn thành xong đề tài.
Em xin chân thành cám ơn thầy Trần Văn Hùng đã hướng dẫn em hoàn thành đề
tài.
Đồ án đã hoàn thành xong nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót , mong thầy giáo
thông cảm và chỉ bảo thêm để đề tài có thể phát triển hơn.
Người thực hiện:
SV.Vũ Đức Thắng

MỤC LỤC
Lời mở đầu. 3
Chương 1: Nhiệm vụ và phân tích nhiệm vụ 4
1.1. Nhiệm vụ được giao 4
1.1. Phân tích nhiệm vụ duợc giao 4
Chương 2: Thiết kế tổng quát phần cứng 4
2.1. Tổng quan về đề tài 4
2.2. Sơ đồ khối 5
2.3. Sơ lược chức năng của từng khối 5
2.4. Thiết kế chi tiết 6
Chương 3: Thiết kế chương trình 13
Giải thuật chương trình chính 13
Kết luận 14
Tài liệu tham khảo 14
Chương 1: NHIỆM VỤ VÀ PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ
1.1.Nhiệm vụ được giao:
Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước.
1.2.Phân tích nhiệm vụ được giao:
- Tham khảo các tài liệu về vi điều khiển AVR của thầy Trần Văn Hùng, Ngô
Diên Tập, Datasheet của nhà sản xuất, các trang web liên quan trên internet.
- Hệ thống gồm:
+ Phần cứng có khối vi điều khiển, khối công suất, khối chuyển động.
+ Phần mềm là chương trình điều khiển.
- Thiết bị thực hiện là:
+ Hai động cơ bước công suất nhỏ.
+ Một Vi điều khiển Atmelga32 họ AVR.
+ 8 tranzito TIP122.
+ Thiết bị ngoài gồm acquy…
+ Các linh kiện điện tử khác.
- Chương trình điều khiển gồm phần điều khiển động cơ bước viết bằng ngôn ngữ

lập trình C viết trên phần mềm chuyên dụng CodeVisionAVR.
Chương 2: THIẾT KẾ TỔNG QUÁT PHẦN CỨNG
2.1. Tổng quan về đề tài :
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số
các động cơ điện thông thường. Chúng 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 có khả năng cố định rôto 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.
Hoạt động :
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có
độ chính xác rất 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.
Ứng dụng :
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, 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
mềm, máy in
2.2. Sơ đồ khối:
Hệ thống hoạt động theo chương trình đã nạp trên ROM, qua sự điều khiển của
MCU Melga32.

Dựa vào chương trình đã nạp trong VĐK mà MCU cho động cơ hoạt động: điều
khiển đường đi của rôbôt theo chương trình định sẵn.
2.3. Sơ lược chức năng của từng khối:
2.3.1. Vi điều khiển melga32 là phần tử thu nhập xử lý thông tin và đưa ra các tín
hiệu điều khiển.
2.3.2. Khối công suất là dùng để kích các cuộn dây của động cơ bước.
2.3.3. Khối chuyển động là động cơ bước.
2.4. Thiết kế chi tiết:
Định sẵn quãng đường
chuyển động
Khối MCU
Melga32
Khối chuyển động
Khối công suất
2.4.1. Khối chuyển động (động cơ bước): Động cơ bước được dùng là động cơ
bước đơn cực.
-Hình ảnh:

- Cấu tạo động cơ bước :
+ Loại biến từ trở :

+ Động cơ bước đơn cực :

Động cơ bước đơn cực quấn theo sơ đồ trên, một đầu nối trung tâm trên các cuộn dây, khi
hoạt động nó được nối lên đầu dương của nguồn cấp, hai đầu còn lại của mỗi mẩu được
nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó.
Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stato, mấu 2 nằm ở 2 cực bên phải và bên trái động cơ.
Động cơ bước được dùng là động cơ nam châm vĩnh cửu.
Có nhiều cách để điều khiển động cơ bước : Điều khiển 1 bước, điều khiển nửa bước và
điều khiển vi bước. Loại động cơ đang dùng là động cơ 1.8 độ/1 bước.

Điều khiển một bước :
Khi cấp điện cho từng pha thì motor sẽ dịch chuyển theo từng bước và dừng tại vị trí A
hoặc B.
Kích một cuộn dây :
Kích hai cuộn dây.
Điều khiển nửa bước :
Nếu cấp điện đồng thời 2 pha bằng nhau thì motor sẽ dịch chuyển nửa bước và dừng tại vị
trí lưng chừng giữa trung điểm 2 cực AB.
C 1 6
2 2 0 0 u F
C 2 2
1 0 4
C 2 3
1 1 0 0 u F
C 2 4
1 0 4
C 2 7
1 0 2
U 3
L M 7 8 0 5
V I
1
G N D
2
V O
3
D 1 4
D I O D E
+ 5 V

D 1 5
5 . 1 V
D 1 6
R E D
R 3 1 k
1 2 V
J 8
P o w e r
1
2
Điều khiển vi bước : Cùng là chế độ nửa bước nhưng cấp nguồn cho 2 pha không
bằng nhau motor sẽ dịch chuyển ít hơn nửa bước và cũng dừng lại ở giữa 2 cực AB nhưng
nghiêng về bên A hay B 1 chút tùy theo điện áp cấp cho pha nào cao hơn,đây là chế độ vi
bước.
Ví dụ :cực A =10v,B=0v >A=7.5v;B=2.5v >A=5v;B=5v >A=2.5v;B=7.5v
>A=0v;B=10v <==== đây là chế độ mỗi xung dịch chuyển được 1/4 bước được gọi
chung là vi bước , ta có thể làm nhuyễn các cấp điện áp hơn nữa thì sẽ được chế độ
1/8,1/16 1/n.
2.4.2. Khối MCU:
- Khối nguồn cho VĐK:
p w m 4
M O S I
S C K
J 3
P O R T A
1
2
3
4
5

6
7
8
S W 1
R e s e t
1 4
2 3
C . 1
C . 0
C . 7
C . 6
C . 5
C . 4
C . 3
C . 2
+ 5 V
J 4
P O R T D 1
2
3
4
5
6
7
8
E n c o d e r
J 6
P O R T C
1
2

3
4
5
6
7
8
+ 5 V
R 4 1
5 0 3
D B 4 _ L C D
R S _ L C D
R D _ L C D
S C K
E N _ L C D
M I S O
+ 5 V
M O S I
J 7
L C D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
p w m 3

R D _ L C D
p w m 2
R S _ L C D
E N _ L C D
p w m 1
M a s _ R X D
D B 4 _ L C D
Y 1
1 1 . 0 5 9 2 0 M H z
M a s _ T X D
C 1
1 u
C 2
1 0 0 n
+ 5 V
C 6
1 0 0 n
U 1
A T M E G A 3 2
P B 0 / X C K / T 0
1
P B 1 / T 1
2
P B 2 / I N T 2 / A I N 0
3
P B 3 / O C 0 / A I N 1
4
P B 4 / S S
5
P B 5 / M O S I

6
P B 6 / M I S O
7
P B 7 / S C K
8
R E S E T
9
V C C
1 0
G N D
1 1
X T A L 2
1 2
X T A L 1
1 3
P D 0 / R X D
1 4
P D 1 / T X D
1 5
P D 2 / I N T 0
1 6
P D 3 / I N T 1
1 7
P D 4 / O C 1 B
1 8
P D 5 / O C 1 A
1 9
P D 6 / I C P
2 0
P D 7 / O C 2

2 1
P C 0 / S C L
2 2
P C 1 / S D A
2 3
P C 2 / T C K
2 4
P C 3 / T M S
2 5
P C 4 / T D O
2 6
P C 5 / T D I
2 7
P C 6 / T O S C 1
2 8
P C 7 / T O S C 2
2 9
A V C C
3 0
A G N D
3 1
A R E F
3 2
P A 7 / A D C 7
3 3
P A 6 / A D C 6
3 4
P A 5 / A D C 5
3 5
P A 4 / A D C 4

3 6
P A 3 / A D C 3
3 7
P A 2 / A D C 2
3 8
P A 1 / A D C 1
3 9
P A 0 / A D C 0
4 0
C 5 2 7 pR 1
1 0 K
C 8
1 u
+ 5 V
R e s e t
+
C 3
4 . 7 u
C 7
1 0 0 n
C 4 2 7 p
M I S O
D 6
L E D
D 7
L E D
D 8
L E D
D 9
L E D

D 1 0
L E D
J 5
L E D
1
2
3
4
5
6
7
8
D 1 1
L E D
D 1 2
L E D
D 1 3
L E D
R 4 2
1 k
R 4 3
1 k
R 4 4
1 k
R 4 5
1 k
R 4 6
1 k
R 4 7
1 k

R 4 8
1 k
R 4 9
1 k
+ 5 V
Nguồn nuôi của vi điều khiển là nguồn DC 5V, sau khi qua acquy 12V, điện áp được đưa
qua diode rồi qua IC ổn áp 7805,điện áp ra còn 5V và được đưa vào vi điều khiển.
Để cho điện áp trở nên tương đối ổn định,ta dùng các tụ lọc.
- Mạch nguyên lý của Atmelga32:

Atmega 32 là vi điều khiển họ AVR, có 40 chân, trong đó có 4 PORT:A, B, C, D.
Mỗi PORT có 8 chân, có thể khai báo là đầu vào hoặc đầu ra tùy người sử dụng. Các chân
còn lại là chân nguồn, đất, reset(như hình), và có chân gắn thạch anh để tạo tần số dao
động cho nó.
PORTC chỉ là các chân vào ra bình thường.
PORTA là kênh vào ADC, dùng để đọc tín hiệu điện áp,
biến từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.
PORTB là nơi để kết nối LCD hiển thị ra bên
ngoài.
PORTD có 3 kênh PWM (2,3,4), 2
chân(Mas_RXD, Mas_TXD)kết nối giao tiếp với
máy tính qua RS232.
+ PORTC để kích tranzito điều khiển cuộn dây
của động cơ.
+ PORTA điều khiển led hoạt động khi test.
Để biết rõ hơn về vi điều khiển melga32 ta tìm hiểu thêm trong Datasheet của nó.
2.4.3. Khối hiển thị:
- Gồm 8 led đơn mắt theo sơ đồ như hình bên:
Cực dương của 8 led dược nối thông qua 8 điện trở rồi nối dến nguồn 5V. Các chân âm
của led được gắn vào một PORT của VĐK.

2.4.4. Khối công suất:
- Sơ đồ nguyên lý:
- Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển (PORTC) đưa vào chân B để
kích transitor (TIP122) làm kích cuộn dây của động cơ. Khi cuộn dây kích thì sẽ có điện
áp đi qua cuộn dây làm đảo cực tính nam châm
Điều khiển đóng ngắt các chân dùng Transtor Darlington TIP122 (NPN) có tần suất đóng
cắt lớn.
TIP122_Darlington Power Transistors (NPN)
Q 7
T I P 1 2 2
4
Q 8
T I P 1 2 2
5
J 3
C O N 8
1
2
3
4
5
6
7
8
J 4
C O N 6
1
2
3
4

5
6
6
J 5
C O N 6
1
2
3
4
5
6
K 8
7
8
R 3 1
1 0 K
R 3 2
1 0 K
K 7
R 3 3
1 0 K
K 1
K 6
K 2
K 3
K 4
K 5
K 5
K 6
1

K 7
2
K 8
3 4
V S S
1 2 V +
R 3 4
1 0 K
R 3 5
1 0 K
R 3 6
1 0 K
R 3 7
1 0 K
V S S
R 3 8
1 K
R 3 9
1 K
8
R 4 0
1 K
R 4 1
1 K
R 4 2
1 K
7
R 4 3
1 K
R 4 4

1 K
65
K 1
R 2 9
1 K
K 2
R 3 0
1 0 K
Q 1
T I P 1 2 2
Q 2
T I P 1 2 2
K 3
1
Q 3
T I P 1 2 2
Q 4
T I P 1 2 2
2
Q 5
T I P 1 2 2
Q 6
T I P 1 2 2
3
K 4
(ghép n i Darlington gia t ng h s khu ch đ i c a m ch)ố ă ệ ố ế ạ ủ ạ
Chương 3:
THIẾT KẾ
CHƯƠNG
TRÌNH

Giải thuật chương
trình chính: ch nh s aỉ ử
T
F

T
Nạp giá trị khởi tạo
thanh ghi ban đầu
i =0
So sánh hai chuổi
frame và
frame_table[i]==0?
i<
num_frame
Điều khiển thiết bị thứ i
i++
KẾT LUẬN :
Qua đề tài, em đã biết được tầm quan trọng và việc ứng dụng rộng rãi của động cơ
bước trong đời sống cũng như trong hoạt động sản xuất. Một trong những ứng
dụng của nó là dùng để điều khiển rôbốt chạy theo quãng đường mình mong muốn
một cách chính xác (robot tự hành).
Đề tài còn nhiều kiến thức em chưa hiểu nên còn hạn chế trong việc sử dụng động
cơ bước vào các ứng dụng của nó.
Cảm ơn sự dạy bảo tận tình của thầy. Em sẽ cố gắng phát triển đề tài sâu nhất có
thể.
Tài liệu tham khảo
+ Kĩ thuật ứng dụng đồ án vi điều khiển ( Trần Văn Hùng).
+ Kĩ thuật vi điều khiển AVR ( Ngô Diên Tập).
+ Điện tử công suất (Trần Văn Hùng).
+ Tài liệu AVR (Ebook, alldatasheet.com).

+ Các trang Web có tài liệu liên quan:
google.com.vn
cdtvn.net
diendandientu.com.vn
alldatasheet.com
Nha trang, tháng 06 năm 2010