Nghiên cứu, thiết kế (chế tạo) mạch điều khiển động cơ stepper motor ở chế độ full step, half step

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Điện tử công suất
Nhóm
Nhóm trưởng : Trịnh Văn Kiên
Thành viên: Phan Đức Anh
Đỗ Văn Đức
Vũ Văn Kiệt

Nội dung đồ án: Nghiên cứu, thiết kế (chế tạo) mạch điều khiển động cơ Stepper Motor ở chế độ
Full Step, Half Step.

Giới thiệu về động cơ bước:

I.

1.

Khái niệm:

Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học
rời rạc. 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.

2.

Cấu tạo của động cơ bước:

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. Động cơ bước có thể được mô tả như là

một động cơ điện không dung chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là rô to và stato là các
năm châm vĩnh cửu hoăc trong trường hợp của động cơ biến từ trở nó là những khối răng làm bằng
vật liệu nhẹ có từ tính, cho phép chúng quaykhá nhanh và với một mộ điều khiển thích hợp cho
phép chúng khởi động và dừng lại ở bất kỳ vị trí nào ta muốn một cách dễ dàng.

Page 1


Hình mẫu một động cơ bước trong thực tế

3.

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.

4.

Vai trò, ứng dụng:

Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, tự động hóa,…
vì nó là cơ cấu chập hành trung thành với những lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác.
Ta cớ thể điều khiển nó quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó ta muốn. Vì vậy
nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số
Một số ứng dụng như : máy CNC, máy in, ổ cứng , ổ đĩa quang, robot, … Rất nhiều ứng dụng đòi
hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao, chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất

quan trọng.

5.

Ưu, nhược điểm:

• Ưu điểm:
- Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho điều khiển vị trí và vận tốc.
- Thích hợp với các thiết bị điều khiển số.với khả năng điều khiển số trực tiếp (động cơ bước trở
thành thông dụng trong kĩ thuật robot).
- Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh.
• Nhược điểm:
- Công suất thấp (việc nâng cao công xuất của động cơ bước đang được rất quan tâm hiện nay).

Page 2


6.

Một số loại động cơ bước:

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator.
Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:
- Động cơ bước từ trở biến thiên.
- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
- Động cơ bước lai.
Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành hai loại:
- Động cơ bước đơn cực.
- Động cơ bước lưỡng cực.

Page 3


II.

Hệ thống điều khiển động cơ bước:
Khối nguồn

Khối
cảm biến

Khối

Khối
chấp
hành

xử lý
Khối hiển
thị

Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Page 4


•

•
•
•

Khối nguồn: Lấy AC (hoặc DC) đầu vào từ 5 – 15V chỉnh lưu thành nguồn DC cấp cho khối
chấp hành đồng thời biến đổi thành nguồn DC 5V cung cấp cho khối điều khiển, hiển thị,
cảm biến
Khối xử lý: Tiếp nhận thông tin từ khối cảm biến, từ đó xuất tín hiệu điều khiển gửi đến khối
hiển thị và khối chấp hành theo các chương trình đã lập sẵn.
Khối chấp hành: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý, thực hiện các lệnh điều khiển do
khối xử lý đưa ra để tạo ra sự di chuyển của robot.
Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lý, hiển thị các vị trí va chạm tương ứng khi khối cảm
biến có tín hiệu tác động.

1. Sơ đồ nguyên lý tổng thể:

Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể

2. Module điều khiển:
• Nhận tín hiệu từ cảm biến qua bộ biến đổi ADC của VDK có chức năng chuyển đổi từ tín hiệu
analog sang digital. Điều khiển, xử lý rồi đưa tới khối hiển
• Nút ấn và điện trở để tạo ra RESET cho AVR
• Thạch anh tạo dao dộng và các tụ lọc nhiễu
• Thông qua jack mạch nạp để đưa thuật toán điều khiển vào AVR
Page 5


3. Module động cơ:
Trong đồ án này nhóm em sử dụng động cơ đơn cực

Bảng trạng thái logic đưa vào các đầu dây
•

Điều khiển cả bước:
Step

A

B
Page 6

A\

B\


•

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

2

0

0

1

1

3

1

0

0

1

Step

A

B

A\

B\

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

2

0

1

1

0

3

0

0

1

0

4

0

0

1

1

5

0

0

0

1

6

1

0

0

1

7

1

0

0

0

Điều khiển nửa bước:

Dựa vào bảng trạng thái trên ta đưa vào các đầu dây lần lượt các chuỗi xung có mức logic tương
ứng, với phương pháp điều khiển cả bước để điều khiển động cơ quay theo 1 chiều nhất định
-

B1: 1100
B2: 0110
B3: 0011
B4: 1001

Để động cơ quay được 1 vòng thì ta lặp lại quá trình trên 50 lần vì mỗi bước động cơ quay được
1.8 độ nên ta phải cho động cơ thực hiện 200 bước.

4. Module nguồn:
Module này tạo ra điện áp xoay chiều 12V, dùng chỉnh lưu 12V xoay chiều thành 12V một
chiều, dung IC 7805 ổn áp để lấy ra điện áp ổn định 5V ở ngõ ra
Các linh kiện được sử dụng trong khối nguồn:




2 Jack cắm nguồn vào 12V.
Chip ổn áp LM7805 để cho phép xuất ra nguồn 5V.
Diode chống dòng ngược.
Page 7





Tụ lọc nguồn 1000µF, tụ ceramic 104, tụ lọc 4.7 µF.
Led báo nguồn và trở hạn dòng 330Ω cho Led.

Sơ đồ nguyên lý module nguồn

III.

Lựa chọn linh kiện:
1. Khối điều khiển:

ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong
vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu
lệnh/s/MHz).
ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi, 512 byte bộ
nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào ra chung, 3 bộ định
thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,....
ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C,
macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, kit thử nghiêm,...

Page 8


Sơ đồ các chân của khối điều khiển ATmega16

2. Khối nguồn:
Khối nguồn của mạch sử dụng IC ổn áp LM7805 thuộc dòng 78xx. 78xx là loại IC dùng để ổn định
điện áp dương với điều kiện điện áp đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V. Dòng IC 78xx có nhiều
loại, ổn định nhiều mức điện áp khác nhau, cụ thể ở đây 7805 là dùng để ổn định điện áp đầu ra ở
mức 5V.

Sơ đồ chân của IC 7805
7805 đóng gói dạng TO-220 gồm có 3 chân:

Page 9

-

Vin: Chân đầu nguồn vào
GND: Chân nối đất
Vo: Chân đầu nguồn ra

Như chúng ta biết, mạch ổn áp dùng Diode Zener tuy nhỏ gọn, đơn giản nhưng có nhược điểm
cho dòng điện nhỏ (~20mA). Để tạo ra một điện áp cố định nhưng dòng điện lớn hơn người ta mắc
thêm một Tranzitor để khuếch đại như sơ đồ dưới đây:

Sơ đồ cấu tạo IC ổn áp 7805
Đây cũng chính là sơ đồ cấu tạo của IC 7805. Thông qua R và Dz ghim điện áp cố định trên chân E
của Tranzitor Q1
Mạch ổn áp dùng trên ổn áp 7805 (78xx nói chung) rất ổn định và hiệu quả nên được sử dụng
rộng rãi, sơ đồ lắp mạch đơn giản như sau:

Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC ổn áp 7805

3. IC đệm dòng ULN2803:
Đây là IC gồm 8 transistor NPN ghép Darlington gắn mạch điện tử trong dãy này của chuổi là một
bộ lý tưởng để giao tiếp với mạch điện dạng số mức logic thấp như: TTL, CMOS hoặc PMOS/NMOS

Page 10


Sơ đồ khối IC ULN2803
ULN2803 được thiết kế để phù hợp với chuẩn TTL
Vài chỉ số kĩ thuật của IC ULN2803:

-

Dòng điện ngõ vào khoảng 25mA
Điện áp ngõ vào khoảng 0.5V – 30V
Dòng ra tới 500 mA/ 50 V
Đệm 8 kênh riêng biệt
Đầu ra đảo.

Sơ đồ cấu tạo 1 kênh đệm dòng của ULN2803

Hình ảnh thực tế của ULN280

Page 11


4. Khối hiển thị
Đồ án sử dụng LCD hiển thị 16*2 với chuẩn kết nối với vi điều khiển như sau:

Sơ đồ khối hiển thị

IV.

Xây dựng hệ thống:
1. Xây dựng phần mềm:

Page 12


2. Xây dựng phần cứng:
•

Sơ đồ mô phỏng

Page 13


Hệ thống được mô phỏng bằng phần mềm Proteus 7.5 sp2
•

Sơ đồ mạch in:

Ảnh mạch in cho vào đây.

Tài liệu tham khảo

Page 14