tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật sử DỤNG bộ lọc KALMAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐỘNG cơ bước

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ BƯỚC
Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
Học viên: Trần Văn Hà
Giáo viên hướng dẫn khoa học: TS Cao Xuân Tuyển
Thái nguyên, năm 2012
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ BƯỚC
Cán bộ hướng dẫn :TS.Cao xuân Tuyển
Người thực hiện: Trần Văn Hà

Thái Nguyên 2012
2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Trần văn Hà
Lớp: Cao học - K13
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Người hướng dẫn khoa học: TS Cao Xuân Tuyển
Ngày giao đề tài: Tháng 03 năm 2012.
Ngày hoàn thành: tháng 12 năm 2012.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA
HỌC
TS Cao Xuân Tuyển
HỌC VIÊN
Trần văn Hà
BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn
này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó.
Thái Nguyên, tháng 12 năm 2012
Tác giả luận văn
Trần văn Hà

4
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của
các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trường Đại học Kỹ thuật
công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn TS Cao Xuân Tuyển đã
tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia
đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều
hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý

kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn
Trần Văn Hà
5
LỜI NÓI ĐẦU
Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang được thừa hưởng những
thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Cùng với sự phát triển của các nghành khoa
học kỹ thuật khác như điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông, tự động hóa các dây
truyền sản xuát vì vậy ngành tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ nó góp phần tăng năng
xuất lao động và giảm chi phí về giá thành của các mặt hàng vì vậy tự động hóa không chỉ
hiện đại và đa dạng mà còn có nhiều phương án tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao
hiệu quả trong sản xuất.
Một trong những vấn đề tự động hóa em muốn đề cập đến trong đề tài tốt nghiệp này
đó là dùng bộ lọc Kalman để nâng cao chất lượng của động cơ bước.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Cao Xuân Tuyển cùng các thầy cô
giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên,
tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung: “Dùng bộ lọc Kalman để
nâng cao chất lượng của động cơ bước”. Đề tài gồm các nội dung chính như sau:
Chương I: Tổng quan về động cơ bước
Trong chương này em trình bày một số loại động cơ bước có trên thị trường hiện nay, quá
trình chuyển động của động cơ bước và phạm vi ứng dụng của chúng.
Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và các đại lượng điều khiển
Nội dung chương này đề cập đén thông số của động cơ bước, các chế độ hoạt động của
động cơ như bước đủ, nửa bước, vi bước , giản đồ xung tại cá chế độ trên và nguyên lí điều
khiển các mạch bipolar, unipolar.
Chương III: Ứng dụng bộ lọc Kalman và sử dụng động cơ bước
Trong chương này đề cập đến bộ lọc Kalman ứng dụng các thuật toán của bộ lọc Kalman
trong việc điều chỉnh vị trí của động cơ bước. Lựa chọn động cơ bước .
Chương IV: Thiết kế sơ đồ mạch phần cứng dùng vi điều khiển, viết mã nguồn

Nội dung chủ yếu của chương này đề cập đến thiết kế và xây dựng phần cứng hoàn thiện
để điều khiển động cơ bước có áp dụng bộ lọc Kalman sử dụng PIC 16F877A để tạo ra các
xung điều khiển động cơ ở các chế độ bước đủ quay thuận và ngược, nửa bước quay thuận
và ngược, chọn góc quay, lựa chọn số vòng quay. Thiết lập sơ đồ phần mền . Viết mă
nguồn cho mạch, mã mô phỏng trong MATLAB.
Chương V: Kết quả mô phỏng trong Matlab
Trong chươg này chủ yếu đưa ra két quả mô phỏng đối với mạch hở, mạch kín, mạch
dùng bộ lọc Kalman. Đưa ra mạch thực nghiệm và chạy các chế độ trên mạch thực nghiệm
6
MỤC LỤC
Chương I: Tổng quan về động cơ bước
1. Các loại động cơ bước nguyên lí và cấu tạo
1.1. Giới thiệu
1.2. Các loại động cơ bước
1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) (PM)
1.4. Động cơ biến thiên từ trở (Variable Reluctance)
1.5. Động cơ bước lai
2. Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước nguyên lí và phạm vi ứng dụng
2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước
2.2 Ứng dụng động cơ bước
Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và điều khiển động cơ bước
1. Mô hình toán học của động cơ
2.Tiêu chí lựa chọn động cơ bước và tính các thông số
2.1. Tiêu chí lựa chọn động cơ bước
2.2 Tính toán các tham số
2.2.1. Mô men xoắn
2.2.2 Tải
2.2.3. Ma sát tăng tốc và ma sát quay
3. Nguyên lí cơ bản điều khiển động cơ bước, mạch điều chỉnh động cơ bước
3.1. Sơ đồ điều khiển động cơ bước bipolar

3.1.1. Cấu trúc động cơ bước bipolar
3.1.2. Sơ đồ mạch động lực điều khiển động cơ bước bipolar
3.1.3. Nguyên lí điều khiển động cơ bipolar
3.1.4.Chế độ bước đủ một pha được cấp xung (một pha ON)
3.1.5. Chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung
3.2. Sơ đồ điều khiển động cơ bước unipolar
3.2.1. Cấu trúc động cơ bước unbipolar
3.2.2. Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ unipolar:
3.2.3. Chế độ nửa bước
3.2.3. Sơ đồ mạch động lực dùng unipolar
3.3. Chế độ vi bước :
Chương III: Ứng dụng bộ lọc Kalman và sử dụng động cơ bước
1. Giới thiệu
2. Thông tin chung
3. Bộ lọc Kalman
3.1 Giới thiệu
3. 2 Tiêu chuẩn thuật toán Kalman Filter
3.3 Điều chỉnh bộ lọc
4. Bộ lọc Kalman mở rộng
7
5. Mẫu động cơ cho bộ lọc Kalman thời gian rời rạc mở rộng
Chương IV: Thiết kế sơ đồ mạch phần cứng dùng vi điều khiển, viết mã nguồn và
mô phỏng
1. Giới thiệu
2. Tổng quan Phần cứng
2.1. Động cơ bước
2.2 Phần linh kiện động lực điều khiển động cơ
3. Vi điều khiển (PIC16F877A)
3.1. Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A
3.2. Khái quát về chức năng của các port trong vi điều khiển PIC16F877A

4. Vi mạch truyền thông nối tiếp (MAX202)
5. Màn LCD
6. Phần cứng
6.1. Mạch PIC16F877 nối -202 MAX6.2. Mạch transistor nối L193 Op-Amp
6.3. Mạch kết nối giữa L193 với PIC16F877
6.4. Mạch kết nối giữa PIC16F877 và mạch động lực
6.5. Mạch hoàn thiện
7. Tổng quan phần mềm
7.1. Giới thiệu
7.2 . Mã Matlab dùng cho mạch kín:
7.3. Mã Matlab dùng bộ lọc Kalman
7.4. CODE C
Chương V: Mô phỏng trong matlab và kết quả thực nghiệm
1. Sơ đồ mô phỏng trong matlab dùng cho hệ thống mạch hở
1.1. Sơ đồ khối
1.2. Sơ đồ chi tiết hệ mạch hở
1.3. chức năng các khối như sau:
1.4. Dạng điện áp , d‡ng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá trình mô phỏng có
dạng như hình v‰ sau:
2. Sơ đồ mô phỏng mạch kín
2.1. Sơ đồ khối mô phỏng mô phỏng
2.2. Sơ đồ chi tiết
2.3. Chức năng các khối
2.4. Dạng điện áp , d‡ng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá trình mô phỏng
3. Mô phỏng dùng bộ lọc Kalman
3.1. Sơ đồ khối
3.2. Chức năng các khối
3.3. Dạng tín hiệu về điện áp, d‡ng điện, mô men , góc bước sau quá trình mô phỏng
có dạng như hình v‰ sau:
4 . Kết quả thực nghiệm

8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ khối điều khiển động cơ bước 1
Hình 1.2: Sơ đồ động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu 2
Hình 1.3 : Mặt cắt ngang của động cơ bước biến thiên từ trở 3
Hình 1.4: Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai 3
Hình 1.5: Mặt cắt ngang của rotor và stator 3
Hình 1.5: Bước dịch chuyển của rotor so với vị trí cuộn dây stator 4
Hình 2.1: Mô hình của động cơ bước 7
Hình 2.2 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước bipolar
10
Hình 2.3: Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar 10
Hình 2.4: Hình 2.4 Nguyên lí điềukhiển động cơ 11
Hình 2.5: Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung 11

Hình 2.6 : Dạngp xung trong các cuộn dây
12
Hình 2.7 : ChiỀu dòng điện trong các cuộn dây
12
Hình 2.8 : Ché độ bước đủ hai pha được cung cấp xung
13
Hình 2.9: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar
13
Hình 2.10: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar
14
Hình 2.11: Nguyên lí điều khiển động cơ bước unipolar
14
Hình 2.12: Chuyển mạch của rotor ở chế đọ nửa bước
15
Hình 2.13: Giản đồ dạng xung ở chế đọ nửa bước

16
Hình 2.14: Sơ đồ mạch động lực dùng unbipolar
16
9
Hình 2.15: Pha của dòng điện trong chế độ vi bước 17
Hình 2.16: Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước
Hình 3.1: Thực hiện rời rạc chu trình lọc Kalman
17
Hình 3.2: Thuật toán lọc Kalman tiêu chuẩn
20
Hình 3.3: Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng
21
Hình 4.1: Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ
23
Hình 4.2 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước
29
Hình 4.3 : Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước
30
Hình 4.4: Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước
30
Hình 4.5: Sơ đồ chân của pic 16F 877A
31
Hình 4.6: PIC để kết nối PC qua cổng truyền thông nối tiếp MAX202
32
Hình 4.7: Sơ đồ chân và các linh kiện bên ngoài vi mạch MAX202
34
Hình 4.8: Text LCD 16x2
35
Hình 4.9: Kết nối LCD với PIC.
36

Hình 4.10: Hoạt động của chân RS.
36
Hình 4.11: Mạch kết nối giữa PIC16F877 - MAX-202
37
Hình 4.12: Mạch khuếch đại thuật toán kết nối với trasistor trường
38
Hình 4.13: Mạch kết nối PIC16F877 và op- amp
39
Hình 4.14: Sơ đồ kết nối mạch động lực và PIC16F877
40
Hình 4.15: Sơ đồ mạch phần hoàn thiện
41
Hình 4.16: Lưu đồ của phần mềm
42
Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch hở
44
10
Hình 5.2: Sơ đồ khối chi tiết mô phỏng mạch điều chỉnh động cơ
bước kiểu mạch hở
62
Hình 5.3: kết quả mô phỏng trong Matlab của hệ hở
63
Hình 5.4: Sơ đồ khối mô phỏng mô phỏng mạch kín
64
Hình 5.5: Sơ đồ chi tiết mạch kín
Hình 5.6: Dạng điện áp , dòng điện, mô men xoắn, góc bước sau quá
trình mô phỏng
64
Hình 5.7: Sơ đồ mô phỏng mạch kín dùng bộ lọc Kalman
65

Hình 5.8: Dạng tín hiệu về điện áp, dòng điện, mô men , góc bước sau
quá trình mô phỏng
66
Hình 5.9: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước đang làm việc ở chế
độ bước đủ quay trái
67
Hình 5.10: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước đang làm việc ở
chế độ bước đủ quay phải
68
Hình 5.11: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước đang làm việc ở
chế độ quay bón vòng
69
Hình 5.12: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước đang làm việc ở
chế độ quay với góc đặt là 180
0
70
Hình 5.13: Ảnh chụp mạch điều khiển mô tơ bước đang làm việc ở
chế độ nửa bước và quay trái
71
11
NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chương I: Tổng quan về động cơ bước
1. Các loại động cơ bước nguyên lí và cấu tạo
1.1. Giới thiệu
Động cơ bước là một loại động cơ điện có cấu tạo, 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 rotor và có khả năng cố định rotor 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 công suất nhỏ và tốc độ quay của rotor phụ thuộc
vào thứ tự và tần số của xung chuyển đổi. Một hệ thống điều khiển động cơ bước bao gồm
các yếu tố cơ bản như trong hình vẽ sau:
Hình1.1: Sơ đồ khối điều khiển động cơ bước
Bộ vi xử lý tạo ra xung, mạch điều khiển nhận các xung tạo ra công xuất cần thiết cho
các cuộn dây của động cơ . Động cơ là khâu cuối cùng biến đổi các xung điện tạo ra mô
men quay. Sau đây sẽ có cái nhìn tổng quan về động cơ bước.
1.2. Các loại động cơ bước
Ba loại cơ bản của động cơ bước bao gồm:
- Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet)
- Động cơ bước biến từ trở (Variable Reluctance)
- Động bước cơ lai (hybrid)
1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) (PM)
Một động cơ bước hoạt động trên hiệu ứng tương tác giữa rotor là một nam châm vĩnh
cửu và từ trường tạo ra từ các cuộn dây stator . Hình vẽ sau cho thấy một sơ đồ điển hình
12
động cơ bước nam châm vĩnh cửu . Rotor là các nam châm vĩnh cửu còn startor là các
cuộn dây, rotor sẽ chuyển động khi cuộn dây của startor nhận được xung điện nó sẽ sinh
ra từ trường để tương tác với từ trường của rotor và làm cho rotor quay
Hình 1.2: Sơ đồ động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
Các tính năng chính của động cơ nam châm vĩnh cửu là rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu
không có tiếp xúc trực tiếp. Hạn chế của loại động cơ này là nó có mô-men xoắn tương đối
thấp được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ thấp. Khi không cung cấp dòng điện cho các
cuộn dây , hoặc cung cấp một năng lượng nhỏ, lực từ tính được hình thành giữa rotor và
stator lực từ này tạo ra mô-men xoắn dư.
1.4. Động cơ biến từ trở (Variable Reluctance)
Động cơ biến từ trở (VR) cốt lõi của nó về cơ bản khác với PM ở chỗ nó rotor không
dùng nam châm vĩnh cửu và do đó không có mô-men xoắn còn lại để giữ rotor ở một vị trí
khi tắt . Điều này có nghĩa là cường độ trường có thể được thay đổi, cấu trúc lõi cảm ứng
từ các ngăn của stator là các lá thép mỏng. Rotor được chế tạo từ các vật liệu từ mềm có

các răng và khe. Khi cuộn dây stator được cung cấp dòng điện các răng của rotor xếp th‰ng
hàng với các điểm cực của stator, khi stator không được cấp năng lượng không có cảm ứng
từ hình thành trong khoảng không giữa stator và rotor vì vậy không có mô men xoắn dư
giữa chúng. Vì vậy mỗi khi stator được cấp năng lượng thì rotor sẽ chuyển đến vị trí mới.
13
Hình 1.3: Mặt cắt ngang của động cơ bước biến từ trở
Các động cơ được thể hiện trong hình trên rotor có bốn răng chúng cách nhau 90 độ và
startor có 6 cực . Vì vậy, khi các cuộn dây được cung xung thì mỗi bước động cơ sẽ quay
một góc 30 độ.
1.5. Động cơ bước lai (hybrid)
Động cơ bước lai được thực hiện bằng cách kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh
cửu và động cơ bước từ trở . Mô-men xoắn được tạo ra trong động cơ lai tương tác của từ
trường của nam châm vĩnh cửu và từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stator.

Hình 1.4: Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai
Cấu trúc stator là tương tự như động cơ nam châm vĩnh cửu, và rotor là hình trụ và từ
hóa như động cơ PM với răng giống như một động cơ VR. Điều này làm tăng đặc tính của
mô-men xoắn của động cơ hơn so với hai loại động cơ VR và PM. động cơ bước lai có góc
bước nhỏ hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu, nhưng chúng rất đắt tiền .
14
Động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ lai và được phổ biến hơn so với biến hơn hơn
so với động cơ bước biến từ trở, và quá trình thiết kế mạch điều khiển có thể dễ dàng điều
khiển cả hai loại động cơ.
2. Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước nguyên lí và phạm vi ứng dụng
2.1. Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ bước
Động cơ bước cung cấp cho việc định vị chính xác và kiểm soát tốc độ mà không sử
dụng các cảm biến hồi tiếp. Các hoạt động cơ bản của động cơ bước cho phép rotor di
chuyển đến một vị trí chính xác các bằng số lượng cấp mỗi lần cấp xung điện được đưa tới
động cơ. Vị trí của rotor của động cơ di chuyển chỉ số độ bằng số lượng xung được cung
cấp. Chúng ta có thể kiểm soát các xung được số lượng xung cung cấp như vậy sẽ kiểm

soát được về vị trí và tốc độ. Rotor của động cơ sinh ra mô-men xoắn từ sự tương tác từ
trường giữa stator và rotor. Công xuất của từ trường là tỷ lệ thuận với số lượng xung cung
cấp cho stator và số vòng trong cuộn dây , làm cho trục động cơ biến đổi một chính xác .
Giống như hai cực của một nam châm cùng cực đẩy nhau và khác cực thì hút nhau .
Hình 1.5: Mặt cắt ngang của rotor và stator
Hình trên cho thấy mặt cắt ngang điển hình của rotor và stator của một động cơ bước. Từ
sơ đồ này, chúng ta có thể thấy stator đó có bốn cực, và rotor có 6 cực. Vì vậy rotor cần
được cung cấp 12 xung điện để di chuyển 12 bước để hoàn thành một vòng. Nói một cách
khác để nói điều này là rotor sẽ di chuyển chính xác 30 độ cho mỗi xung của động cơ điện
nhận được. Khi không được cung cấp xung cho động cơ, từ tính còn lại trong các nam
15
châm rotor sẽ chốt chặt hoặc sắp xếp thiết lập các cực từ của rotor nó với các cực từ của
một trong những nam châm stator. Điều này có nghĩa là rotor sẽ có 12 vị trí có thể bị chốt
chặn. Khi rotor trong chốt chặt vị trí, nó sẽ duy trì lực từ trường để giữ cho trục di chuyển
tiếp đến vị trí tiếp theo. Khi xung điện được cung cấp, nó tạo ra một từ trường trong cuộn
dây của stator, khi đó cuộn dây trở thành một nam châm. Một trong các cuộn dây cho các
cặp trở thành cực bắc, và cuộn dây khác sẽ trở thành cực nam. Khi điều này xảy ra, cuộn
dây stator là cực bắc sẽ thu hút răng gần nhất rotor có tính phân cực ngược lại, và cuộn dây
stator là cực Nam sẽ thu hút răng gần nhất rotor rằng có phân cực đối diện. Khi dòng chảy
thông qua các cực, rotor sẽ có một điểm thu hút mạnh hơn vào các cuộn dây stator, và mô-
men xoắn tăng được gọi là moment xoắn giữ. Bằng cách thay đổi dòng chảy để các cuộn
dây stator tiếp theo, từ trường sẽ có thay đổi 90 °. Rotor sẽ chỉ di chuyển 30 ° trước khi từ
trường của nó một lần nữa sẽ sắp xếp với sự thay đổi trong cuộn dây stator. Từ trường
trong stator được liên tục thay đổi làm cho rotor di chuyển thông qua 12 bước để góc di
chuyển tổng cộng là 360 °. Trong hình trên, chúng ta có thể thấy rằng khi cung cấp cho các
cuộn dây stator trên và dưới, các cuộn dây này sẽ trở thành một nam châm với phần đầu
của cuộn dây là cực bắc, và phần dưới cùng của cuộn dây là cực nam.
Hình 1.6: Bước dịch chuyển của rotor so với vị trí cuộn dây stator
16
Kết thúc sự đối diện cực rotor, mà là cực bắc, sẽ sắp xếp với cực nam của stator Một

đường th‰ng được đặt trên mảnh cực nam nằm ở vị trí 12 giờ. Trong hình. a để có thể theo
dõi chuyển động của nó như dòng điện được chuyển từ một cuộn dây stator tiếp theo.
Trong hình b dòng điện các cuộn dây trên và dưới đã được tắt, và dòng điện được cung cấp
cho các cuộn dây stator ở bên phải và bên trái của động cơ. Cuộn dây phía bên phải là cực
bắc cuộn dây trái là cực nam . Trong điều kiện này, cực rotor dịch chuyển đến vị trí tiếp
theo sẽ có thể phù hợp với từ trường do stator tạo ra.
Trong hình c, chúng ta có thể thấy rằng các cuộn dây stator trên và dưới được cung cấp
năng lượng một lần nữa, nhưng này thời gian đầu cuộn dây là cực nam của từ trường và
phía dưới cuộn dây là cực bắc. Sự thay đổi trong từ trường sẽ làm cho rotor một lần nữa
di chuyển một góc 30 °
Trong hình d chúng ta có thể thấy rằng hai bên cuộn dây stator được một lần nữa
được cung cấp năng lượng, sự thay đổi này cực sẽ làm cho rotor di chuyển góc 30
0
trong chiều kim đồng hồ. Chúng ta sẽ nhận thấy rằng các rotor đã di chuyển bốn
bước mỗi góc bước 30 °, như vậy rotor đã di chuyển tổng cộng 120 ° so với vị trí
ban đầu của nó
2.2. Ứng dụng động cơ bước
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa 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 mềm, máy in
17
Chương II: Mô hình toán học động cơ bước và điều khiển động cơ bước
1. Mô hình toán học của động cơ
Phần này sử dụng một mô hình của động cơ bước 2 pha PM thể hiện trong hình vẽ sau
đây để nghiên cứu cơ cấu điều khiển động cơ bước

Hình 2.1: Mô hình động cơ bước

Khi các cuộn dây được cung cấp xung nó tạo ra hai cực từ ở trong stator. Ví dụ như trên
hình vẽ cuộn dây 3 sinh ra từ trường là cực bắc và cuộn dây 4 cực nam từ trường này đẩy
rotor chuyển động một góc 90
0
. khi cuộn 1 và 4 được cung cấp xung cuộn 2 là cực bắc,
cuộn 1 là cực nam làm cho rotor chuyển động một góc tiếp theo là 90
0
như vậy rotor ở một
vị trí ổn định với từng vị trí chỉ có pha 2 cung cấp. Ngoài ra từ trường do các cuộn dây
stator sinh ra ngược chiều so với từ trường của rotor.
S=NP
S số bước đủ của rotor
N là số cực rotor
P là số pha stator
Góc bước (radian) trên mỗi bước được cho bởi:

Mô-men xoắn của động cơ T
MJ
có thể được viết là:
K
m
là hệ số không đổi của động cơ
θ (t) là vị trí thực tế rotor
Ij (t) là dòng điện cuộn dây là hàm của thời gian
ɸ
j
là vị trí cuộn dây j trong stator
Tuy nhiên, I
j
(t) dòng điện trong cuộn dây là một hàm số của V

J
(t) điện áp cung cấp và
điện cảm của cuộn dây.
Phương trình chung giữa V
J
(t) và I
j
(t) được cho bởi:
18
Trường hợp, emf
j
là sức điện động cảm ứng trong pha j
R là điện trở của các cuộn dây
L là điện cảm của cuộn dây
Tuy nhiên, emf
j
trong mỗi cuộn dây có thể được thể hiện như sau:
ω là vận tốc quay của rotor
Mô-men xoắn tổng số tạo ra bởi các bước được đưa ra như sau:
(1)
Sử dụng phương trình trên và xem xét các phương trình chuyển động của một động cơ
bước
(2)
J là quán tính của rotor và tải
T
l
là ma sát mô-men xoắn / tải mô-men xoắn
B là ma sát
Vận tốc góc được cho bởi
(3)

Ba phương trình 1,2,3 là cơ sở cho việc mô tả mô hình của một động cơ bước PM. Do đó
có 2 vị trí chuyển động cơ PM với Nr là số răng của rotor và hai vị trí (jφ) ở mức 0 và (π /
2) các phương trình sau sẽ là cơ sở.
% vận tốc góc
% tải tăng tốc
% dòng điện qua cuộn a
% dòng điện qua qua cuộn b
2.Tiêu chí lựa chọn động cơ bước và tính các thông số
2.1. Tiêu chí lựa chọn động cơ bước
Khi được chọn một động cơ bước, căn cứ vào các yếu tố sau:
- Tốc độ hoạt động các bước / giây
19
- Mô-men xoắn trong
- Tải quán tính trong
- Yêu cầu của góc bước
- Thời gian tăng tốc
- Thời gian để giảm tốc
- Loại điều khiển được sử dụng
Xem xét kích thước và trọng lượng
2.2. Tính toán các tham số
2.2.1. Mô men xoắn
T= Fr
F là lực bên trong
r bán kính trong
Quán tính của tải (I= mô men tải (1b-In
2
))
cho một phiến tròn mỏng
hình trụ rỗng
W là trọng lượng tính bằng pounds

r bán kính hình trụ
r
1
bán kính bên trong của hình trụ rỗng
r
2
bán kính bên ngoài của hình trụ rỗng
2.2.2. Tải
Công thức cho quán tính tương đương để vượt qua ma sát trong hệ thống và mô-
men xoắn đủ để bắt đầu hoặc ngừng tất cả các tải quán tính như sau:
T là mô men xoắn
I là mô men tải (1b-In2 )
α là gia tốc góc trong rad/S2
1/24 là hệ số biến đổi để chuyển đổi đơn vị lực hút
2.2.3. Ma sát tăng tốc và ma sát quay
Công thức tính mô-men xoắn cần thiết để luân phiên tăng tốc tải quán tính là:
T là mô men xoắn
I
0
là quán tính tải 1b-In
2
Π = 3.1316
Ф là góc bước ở bên trong

Ѡ
là tốc độ bước các bước trên giây
t là thời gian
3. Nguyên lí cơ bản điều khiển động cơ bước, mạch điều chỉnh động cơ bước
20
3.1. Sơ đồ điều khiển động cơ bước bipolar

3.1.1. Cấu trúc động cơ bước bipolar
Hình 2.2: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước bipolar
Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1-2, và 3-4 được nối vào hai cặp cầu
khác nhau còn các đầu A nối với C, B nối với D được nối tại phía trong của động cơ
Hoặc mạch ở bên ngoài
3.1.2. Sơ đồ mạch động lực điều khiển động cơ bước bipolar

Hình 2.3 Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar
Các transistor từ Q1- Q4 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy qua cuộn dây 1.
Khi có tín hiệu điều khiển từ A1 và C1 Q1vaf Q4 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q1 qua
cuộn dây rồi qua Q4 về đất. Khi có tín hiệu điều khiển từ B1 và D1, Q2 và Q3 dẫn dòng
chạy từ nguồn qua Q3 qua cuộn dây rồi qua Q2 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo
hướng ngược lại.
Các transistor từ Q5- Q8 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy qua cuộn dây của
động cơ. Khi có tín hiệu điều khiển từ A2 và C2 thì Q5 và Q8 dẫn dòng chạy từ nguồn qua
Q5 qua cuộn dây rồi qua Q8 về đất. Khi có tín hiệu điều khiển từ B2 và D2, Q6 và Q7 dẫn
dòng chạy từ nguồn qua Q7 qua cuộn dây rồi qua Q6 về đất trong rường hợp này dòng
chạy theo hướng ngược lại. Như vậy căn cứ vào dạng xung từ mạch điều khiển đưa vào
đầu vào của các mạch cầu dòng qua các cuộn dây sẽ thay đổi phù hợp với các chế độ cho
động cơ bước
21
3.1.3. Nguyên lí điều khiển động cơ bipolar
Hình 2.4: Nguyên lí điều khiển động cơ
Từ trên hình vẽ chúng ta thấy rằng khi các chuyển mạch A-D đóng dòng điện chạy từ
nguồn qua A rồi qua cuộn dây qua D về đất còn khi các chuyển mạch B-C đóng dòng điện
chạy từ nguồn qua C rồi qua cuộn dây qua B về đất, ở mạch trên hình vẽ chỉ sử dụng hai
đường tín hiệu điều khiển vì vậy cần dùng thêm hai mach đảo để tín hiệu điều khiển vào
các chuyển mạch A-D và B-C là có pha luôn ngược nhau
3.1.4. Chế độ bước đủ một pha được cấp xung (một pha ON)
Hình 2.5: Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung

Nhìn trên hình vẽ chúng ta nhận thấy rằng khi pha A được cung cấp xung thì rotor quay
một góc 90
0
cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn C. Tiếp theo khi pha C được
cung cấp xung thì rotor quay một góc 90
0
cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn B.
Tiếp theo khi pha B được cung cấp xung thì rotor quay một góc 90
0
cực nam của rotor đối
diện với vị trí của cuộn D. Tiếp theo khi pha D được cung cấp xung thì rotor quay một góc
90
0
cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn . Như vậy qua một vòng bốn bước vị trí
của rotor quay lại vị trí ban đầu. ( cách dịch chuyển như vậy người ta gọi là một pha ON)
+ Giản đồ xung để điều khiển các cuộn dây như sau:
22

Hình 2.6 : Dạng xung trong các cuộn dây

+ Sơ đồ mô tả d‡ng điện chạy trong các cuộn dây
Hình 2.7: Chiều dòng điện trong các cuộn dây
3.1.5. Chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung
+ Hình vẽ mô tả chế độ bước đủ khi cả hai pha được cung cấp xung:( hai pha ON)
+ Nguyên lí bước tại bước 1 khi cả hai pha A được cung cấp xung rotor sẽ chuyển động
một góc 90
0
và nó bị khóa chặt vào khoảng không giữa pha A và B. Tiếp theo cả hai pha B
được cung cấp xung rotor sẽ chuyển động một góc 90
0

và nó bị khóa chặt vào khoảng
không giữa pha A và B. Tuần tự như vậy qua bốn bước rotor quay lại về vị trí ban đầu
( cách dịch chuyển như vậy người ta gọi là hai pha ON).


23
Hình 2.8 : Chế độ bước đủ hai pha được cung cấp xung
3.2. Sơ đồ điều khiển động cơ bước unipolar
3.2.1. Cấu trúc động cơ bước unbipolar
+ Loại động cơ bước có năm đầu ra

Hình 2.9: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar
Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1,2, và 3, 4 được nối vào các transistor khác
nhau còn các đầu A , C, B , D được nối với nguồn cung cấp cho động cơ bước. Các đầu
này có thể nối tại phía trong của động cơ hoặc nối với nhau tại mạch ngoài
24
+ Cấu trúc động cơ bước unipolar có sáu đầu dây ra
Hình 2.10: Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar
Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1,2, và 3, 4 được nối vào các transistor khác
nhau còn các đầu A nối với C ( đầu số 3), còn B nối với D ( đầu số 6) được nối với nguồn
cung cấp cho động cơ bước. Các đầu này có thể nối tại phía trong của động cơ hoặc nối
với nhau tại mạch ngoài
3.2.2. Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ unipolar:


Hình 2.11: Nguyên lí điều khiển động cơ bước unipolar
25