Xây dựng module thực hành điều khiển động cơ bước

MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................1
Hình 1.1Một số mẫu động cơ bước trong thực tế....................................................9
Hình1.2 Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.. 9
Hình 1.3 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước..............................................10
Hình 1.4 Động cơ bước từ trở................................................................................11
Hình 1.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.........................................................11
Hình 1.6: Động cơ bước lai....................................................................................12
Hình 1.7: Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý...........................14
Hình 1.8: Cơ chế lái lưỡng cực điều khiển dòng điện...........................................15
và hướng từ thông trong cuộn dây.........................................................................15
Hình 1.9: Cơ chế lái đơn cực điều khiển dòng điện..............................................16
và hướng từ thông trong cuộn dây.........................................................................16
Hình 1.10: Động cơ bước đơn cức và lưỡng cực..................................................18
Hình 1.11: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên...............20
Hình 1.12: Các mạch nguyên lý triệt EMF ngược................................................21
Hình 1.13: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước..........................................22
nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực........................................................................22
Hình 1.14: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu.........23
và lai đơn cực có triệt EMF ngược bằng các diode...............................................23
Hình 1.15: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu.........23
và lai đơn cực có triệt EMF ngược bằng tụ điện...................................................23
Hình 1.16: Đường cong mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ cộng hưởng.......24
Hình 1.17: Một số cách mắc công tắc...................................................................25
Hình 1.18: Sơ đồ ngõ vào ra của chíp ULN2003..................................................26
Hình 1.19: Một mạch cầu H...................................................................................27
Hình 1.20: Mạch cầu H ở chế độ thuận.................................................................27

1

Hình 1.21: Dòng điện khi chuyển chế độ thuận sang suy giảm nhanh.................28
Hình 1.22: Một chế độ suy giảm chậm có ích.......................................................28
Hình 1.23: Mạch cầu có tích hợp mạch logic........................................................29
Hình 1.24:Hai nửa cầu H.......................................................................................30
Hình 1.25: Sơ đồ chân chíp S244..........................................................................31
Hình 1.26: Các ngõ vào ra chíp 293B/D...............................................................32
Hình 2.1 IC 80C51/AT89C51................................................................................35
Hình 2.2: Bộ nhớ dữ liệu trong..............................................................................46
Hình 2.3 128 Byte thấp của RAM trong................................................................48
Để tăng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển, đo lường…Bộ VĐK
cho phép mở rộng không gian nhớ RAM ngoài đến 64 Kbyte và ROM ngoài đến
64 Kbyte khi cần thiết. Các IC giao tiếp ngoại vi cũng có thể được thêm vào để
mở rộng khả năng xuất/nhập và chúng trở thành 1 phần của không gian nhớ dữ
liệu ngoài................................................................................................................49
Hình 2.4 Truy cập bộ nhớ chương trình ngoài......................................................49
Hình 2.5 Đồ thị thời gian quá trình nhận lệnh từ ROM ngoài..............................50
Hình 2.6 Truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài................................................................51
Hình 2.7 : Chế độ 0 của Timer1............................................................................54
Hình 2.8 Chế độ 1 của Timer 1..............................................................................55
Hình 2.9 Chế độ 2 của Timer 1..............................................................................55
Hình 2.10: Chế độ 3 của timer 0............................................................................57
Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch..............................................................................58
Hình 3.2: Sơ đồ chân AT89C51............................................................................59
Hinh 3.3 Hình dạng một LCD...............................................................................59
Hình 3.4 Sơ đồ chân LCD......................................................................................60
Hình: 3.5 Sơ đồ nguyên lý LCD trong mạch.........................................................63
Hình 3.5: Cấu tạo của ULN2003A........................................................................63
Hình 3.6: Hình dạng thật của động cơ bước..........................................................64

2

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước..................................65
Hình 3.7 a) Chế độ quay thuận b) Chế độ quay nghịch........................................66
c) Chế độ tăng tốc..................................................................................................66
d) Chế độ giảm tốc.................................................................................................66

3


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước..............................12
Bảng 1.2: Trình tự kích thích cho các kiểu lái khác nhau.....................................19
Bảng 1.3: Các chế độ của một cầu H....................................................................29
Bảng 1.4: Các tạng thái LS244 khi chưa mã hóa điều khiển................................31
Bảng 2.1: Chức năng riêng của từng thanh ghi trong SFR...................................37
Bảng 2.2 Địa chỉ, ý nghĩa và giá trị của các SFR sau khi Reset...........................38
Bảng 2.3 Chọn băng thanh ghi..............................................................................41
Bảng 2.4 Chọn Mode trong SCON........................................................................44
Bảng 3.1: Thứ tự các chân LCD và công dụng của chúng...................................60
Bảng 3.2: Mã lệnh của LCD 16×2 :.......................................................................62

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
MỤC LỤC................................................................................................................1
Hình 1.1Một số mẫu động cơ bước trong thực tế....................................................9
Hình1.2 Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.. 9
Hình 1.3 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước..............................................10

Hình 1.4 Động cơ bước từ trở................................................................................11
Hình 1.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.........................................................11
Hình 1.6: Động cơ bước lai....................................................................................12
Hình 1.7: Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý...........................14
Hình 1.8: Cơ chế lái lưỡng cực điều khiển dòng điện...........................................15
và hướng từ thông trong cuộn dây.........................................................................15
Hình 1.9: Cơ chế lái đơn cực điều khiển dòng điện..............................................16
và hướng từ thông trong cuộn dây.........................................................................16
Hình 1.10: Động cơ bước đơn cức và lưỡng cực..................................................18
Hình 1.11: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên...............20
Hình 1.12: Các mạch nguyên lý triệt EMF ngược................................................21
Hình 1.13: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước..........................................22
nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực........................................................................22
Hình 1.14: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu.........23
và lai đơn cực có triệt EMF ngược bằng các diode...............................................23
Hình 1.15: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu.........23
và lai đơn cực có triệt EMF ngược bằng tụ điện...................................................23
Hình 1.16: Đường cong mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ cộng hưởng.......24
Hình 1.17: Một số cách mắc công tắc...................................................................25
Hình 1.18: Sơ đồ ngõ vào ra của chíp ULN2003..................................................26
Hình 1.19: Một mạch cầu H...................................................................................27
Hình 1.20: Mạch cầu H ở chế độ thuận.................................................................27

5


Hình 1.21: Dòng điện khi chuyển chế độ thuận sang suy giảm nhanh.................28
Hình 1.22: Một chế độ suy giảm chậm có ích.......................................................28
Hình 1.23: Mạch cầu có tích hợp mạch logic........................................................29
Hình 1.24:Hai nửa cầu H.......................................................................................30

Hình 1.25: Sơ đồ chân chíp S244..........................................................................31
Hình 1.26: Các ngõ vào ra chíp 293B/D...............................................................32
Hình 2.1 IC 80C51/AT89C51................................................................................35
Hình 2.2: Bộ nhớ dữ liệu trong..............................................................................46
Hình 2.3 128 Byte thấp của RAM trong................................................................48
Để tăng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển, đo lường…Bộ VĐK
cho phép mở rộng không gian nhớ RAM ngoài đến 64 Kbyte và ROM ngoài đến
64 Kbyte khi cần thiết. Các IC giao tiếp ngoại vi cũng có thể được thêm vào để
mở rộng khả năng xuất/nhập và chúng trở thành 1 phần của không gian nhớ dữ
liệu ngoài................................................................................................................49
Hình 2.4 Truy cập bộ nhớ chương trình ngoài......................................................49
Hình 2.5 Đồ thị thời gian quá trình nhận lệnh từ ROM ngoài..............................50
Hình 2.6 Truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài................................................................51
Hình 2.7 : Chế độ 0 của Timer1............................................................................54
Hình 2.8 Chế độ 1 của Timer 1..............................................................................55
Hình 2.9 Chế độ 2 của Timer 1..............................................................................55
Hình 2.10: Chế độ 3 của timer 0............................................................................57
Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch..............................................................................58
Hình 3.2: Sơ đồ chân AT89C51............................................................................59
Hinh 3.3 Hình dạng một LCD...............................................................................59
Hình 3.4 Sơ đồ chân LCD......................................................................................60
Hình: 3.5 Sơ đồ nguyên lý LCD trong mạch.........................................................63
Hình 3.5: Cấu tạo của ULN2003A........................................................................63
Hình 3.6: Hình dạng thật của động cơ bước..........................................................64

6


Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước..................................65
Hình 3.7 a) Chế độ quay thuận b) Chế độ quay nghịch........................................66

c) Chế độ tăng tốc..................................................................................................66
d) Chế độ giảm tốc.................................................................................................66

7


LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ và rộng lớn của nền khoa học kỹ
thuật.Các công nghệ mới thuộc các lĩnh vực khác nhau cũng nhờ đó đã ra đời để
đáp ứng những nhu cầu của xã hội. Đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển ngày càng
phát triển mạnh mẽ với mức độ tự động hóa ngày càng cao. Trong số đó phải nói
đến vi điều khiển một thiết bị có tính tự động hoá cao và đang được ứng dụng rất
rộng rãi trong đời sống hiện đại ngày nay, nhưng mức độ tự động hoá càng cao
đòi hỏi thiết bị đi kèm phải có độ chính xác lớn. Như chúng ta đã biết động cơ
bước là một loại động cơ không quay theo chế độ thông thường mà nó quay theo
bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học, hiện nay động cơ bước
đang được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế như: điều khiển băng chuyền, sử
dụng trong máy in, trong robot, trong máy CNC... Trên tinh thần học đi đôi với
hành, gắn liền với lao động sản xuất và đời sống, em một sinh viên nghành kỹ
thuật đã gần 5 năm ngồi trên ghế nhà trường chúng em đang đi dần vào thực tế.
Để củng cố và mở rộng kiến thức em đã được học cũng như đánh giá kết quả học
tập của mình .Được sự giúp đỡ của các thầy trong bộ môn đặc biệt là thầy Vũ
Đức Thái em đã xin nhận đề tài tốt nghiệp :” Xây dựng module thực hành điều
khiển động cơ bước”. Mục tiêu của đề tài này là em muốn tìm hiểu rõ hơn cấu
tạo cũng như hoạt động của vi điều khiển 89C51, nắm được các phương pháp
điều khiển động cơ bước.Nội dung cụ thể của đề tài như sau:
Chương 1: Giới thiệu về động cơ bước.
Chương 2: Tổng quan về vi điều khiển 89C51.
Chương 3: Thiết kế chế tạo hệ điều khiển động cơ bước.

Kết quả dự kiến đạt được: Thiết kế thành công mô hình mạch thật của hệ điều
khiển động cơ bước.

8


CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1 Khái niệm về động cơ bước
Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành
những chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước
tăng rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp
lí. Sự quay của các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào. Trình tự
của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục động cơ. Tốc độ
quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài
vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào.

Động cơ bước

Bộ lái

Dây ra từ
động cơ
Hình 1.1Một số mẫu động cơ bước trong thực tế.
Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935. Các mô hình động
cơ bước trước đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bước
ngày nay đã được cải tiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị
ngoại vi máy tính, các robot, các máy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm,
các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, các máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết
bị ôtô, các máy bán hàng nhỏ, và các máy quét, …

Hình1.2 Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in.

9


Nguyên lý 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 starto theo thứ
tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto 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.
1.2 Phân 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, và
- Động cơ bước lai.
Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:
- Động cơ bước đơn cực.
- Động cơ bước lưỡng cực.

Hình 1.3 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước
1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên
Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay
khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator. Hoạt động này
10

tương tự như hoạt động của cuộn solenoid. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ
hơn các loại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor
không có từ tính nên không có lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện
và rotor có thể quay tự do. Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ
trở biến thiên là 7,5o hoặc 15o.

Hình 1.4 Động cơ bước từ trở.
1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có
mô men duy trì khi động cơ không còn được cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh
cửu được định hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi.

Hình 1.5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện
trường điện từ và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm được làm bằng hợp
kim (gồm nhôm, nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samariumcobalt). Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ
hơn các loại khác. Chúng cũng có đặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn. Các góc
bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8 o; 7,5o,
30o; 45o; và 90o.

11


1.2.3 Động cơ bước lai
Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở
biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn
được bọc xung quanh trục động cơ. Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh
cửu ở chổ có một đầu rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam. Răng
rotor được cắt thành hai chén lõi thép được gắn chặt trên mỗi đầu. Động cơ bước
lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai. Các động cơ bước lai có nhiều răng

hơn và có mô men lớn hơn. Các góc bước tiêu biểu là 0,9o và 1,8o.

Hình 1.6: Động cơ bước lai
Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam
châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8 o. Độ chính xác của hầu hết
các động cơ bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính
xác được cải thiện nhờ vào các góc bước nhỏ hơn.
Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước
Loại động cơ bước

Góc bước tiêu biểu

Từ trở biến thiên

7,5o; 15o

Nam châm vĩnh cửu

1,8o; 7,5o; 15o; 30o; 45o; 90o

Lai

0,9o; 1,8o

.2.4 Động cơ bước lưỡng cực
12


Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dòng điện trong các
cuộn dây, cực tính điện từ cũng bị đảo.

a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực.

b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên
lý.

1.2.5 Động cơ bước đơn cực
Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực. Nó bao gồm hai
cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng
lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng
lượng thì cực nam được tạo ra. Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi
vì cực tính điện, tức là dòng điện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị
đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô
men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lưỡng cực.

a) Sơ đồ quấn dây đơn cực.

b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý.

Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha,
chẳng hạn loại ra 8 dây. Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn

13


cực cho động cơ này. Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng.

Hình 1.7: Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý.
1.3 Pha của động cơ bước
Pha động cơ bước liên quan đến số lượng các cuộn dây độc lập trên

stator. Nói chung, số răng trên stator và rotor được liên hệ bởi
NS = N R ± P
trong đó

NS

=

số răng stator

NR

=

số răng rotor

P

=

số răng stator trên pha

Góc bước θo tính theo độ trên bước được cho bởi:
θ0 =

360
N

trong đó N là số bước trên vòng:
N=

NR NS
NR − NS

Một động cơ bước thường được phân loại theo số dây nối đưa ra từ vỏ
động cơ, điều này không liên quan đế số pha.
1.4 Điều khiển động cơ bước
1.4.1 Lái động cơ bước
Mạch lái động cơ bước có hai nhiệm vụ chính:
- Thay đổi dòng điện và hướng từ thông trong các cuộn dây pha.
- Lái cường độ dòng điện có thể điều khiển được chạy qua các cuộn dây
nhằm đạt được tốc độ cao nhất có thể.
14


- Điều khiển hướng từ thông
- Điều khiển bước các động cơ bước đòi hỏi sự thay đổi hướng của từ
thông, độc lập trong mỗi cuộn dây. Sự thay đổi hướng được thực hiện bằng cách
thay đổi hướng dòng điện, và có thể được thực hiện bằng một trong hai cách:
+ Lái lưỡng cực
+ Lái đơn cực
Lái lưỡng cực
Hình 1.8 trình bày cơ chế lái động cơ bước lưỡng cực. Trên hình chỉ vẽ ra
cho một pha, pha còn lại thì tương tự.

Hình 1.8: Cơ chế lái lưỡng cực điều khiển dòng điện
và hướng từ thông trong cuộn dây.
Lái lưỡng cực đề cập đến nguyên lý mà ở đó hướng dòng điện trong một
cuộn dây bị thay đổi bằng cách dịch chuyển cực tính điện áp ngang qua các đầu
cuộn dây. Để thay đổi cực tính, một nhóm bốn công tắc được cần đến, hình

thành một cầu H.
Phương pháp lái lưỡng cực đòi hỏi một cuộn dây trên một pha. Một động
cơ hai pha sẽ có hai cuộn dây và tương ứng bốn dây ra kết nối.

15


Lái đơn cực
Nguyên lý lái đơn cực đòi hỏi một cuộn dây có đầu ra điểm giữa hoặc hai
cuộn dây riêng biệt trên pha. Hướng từ thông được thay đổi bằng cách di chuyển
dòng điện từ một nửa cuộn dây sang một nửa còn lại. Phương pháp này chỉ đòi
hỏi hai chuyển mạch trên một pha. Hay nói cách khác, lái lưỡng cực chỉ sử dụng
một nửa lượng dây đồng đang có của cuộn dây. Công suất tiêu hao do đó gấp đôi
công suất của lái lưỡng cực với cùng công suất ra.

Hình 1.9: Cơ chế lái đơn cực điều khiển dòng điện
và hướng từ thông trong cuộn dây.

16


1.4.2 Nguyên lý điều khiển
Để biết một động cơ bước làm việc như thế nào, hãy xem xét một động
cơ bước đơn giản gồm có:
- Một rotor nam châm vĩnh cửu có một cực Bắc – Nam (N-S).
- Một stator bốn răng được lái bởi một cặp hai cuộn dây A1-A2 và B1-B2.
Khi A1-A2 (và B1-B2) được nối đến điện áp cung cấp DC và đất, một cách
tương ứng, răng phía trên đỉnh (và răng phía bên phải) trở thành cực Bắc và răng
đối diện trở thành cực Nam như trên. Điều này làm đẩy rotor sang vị trí ổn định
+ 45o, khi đó các cực rotor nằm giữa các cực đối diện của hai cuộn dây. Khi cực

tính của cuộn A1-A2 bị đảo lại nhờ chuyển mạch điện áp cung cấp và đất, rotor
tiến một góc 90o đến vị trí mới ổn định ở -45 o. Điều này có nghĩa rằng nó có góc
bước là 90o. Một động cơ bước có thể được điều khiển theo trình tự kiểu đủ bước
hoặc nửa bước. Với góc bước 90 o, một trình tự bốn bước sẽ liên tiếp sẽ làm động
cơ quay được một vòng. Khi trình tự bước được lặp lại, động cơ sẽ quay tiếp tục.
Nếu trình tự bước bị đảo ngược, hướng động cơ cũng bị đảo theo. Số lượng các
bước trình tự và mẫu chuyển mạch sẽ thay đổi theo cấu tạo và nhà sản xuất động
cơ.
Dưới đây là các kiểu lái động cơ bước phổ biến nhất:
- Lái gợn sóng

(cấp điện 1 pha)

- Lái đủ bước

(cấp điện 2 pha)

- Lái nửa bước

(cấp điện 1 pha và 2 pha)

- Lái vi bước (liên tục biến đổi dòng điện động cơ)

17


Hình 1.10: Động cơ bước đơn cức và lưỡng cực
Trong kiểu lái gợn sóng, mỗi lần chỉ một cuộn dây được cấp năng lượng.
Stator được cấp năng lượng theo trình tự A → B → A → B và rotor bước từ vị trí
8 → 2 → 4 → 6 . Đối với các động cơ quấn dây đơn cực và lưỡng cực với các

tham số cuộn dây như nhau thì kiểu kích thích này sẽ sinh ra một vị trí cơ khí
như nhau. Nhược điểm của kiểu lái này là trong kiểu lái này động cơ quấn dây
đơn cực chỉ sử dụng có 25% và động cơ lưỡng cực chỉ sử dụng 50% của toàn bộ
cuộn dây động cơ ở thời điểm đã cho. Điều này có nghĩa là không sử dụng hết
mô men xuất ra từ động cơ.
Ở kiểu lái đủ bước, mỗi lần hai pha được cấp năng lượng cùng lúc. Stator
được cấp năng lượng theo trình tự AB → AB → A B → A B và rotor bước từ các
vị trí 1 → 3 → 5 → 7 . Mô men tạo ra từ động cơ quấn dây đơn cực thấp hơn động
cơ lưỡng cực (xét các động cơ có cùng tham số cuộn dây) vì các động cơ đơn
18


cực chỉ sử dụng 50% cuộn dây trong khi động cơ lưỡng cực thì dùng hết.
Lái nữa bước kết hợp hai kiểu lái gợn sóng và đủ bước (cấp điện cho
1và2 cuộn).Trình tự cấp năng lượng AB → B → AB → A → A B → B → A B → A
và rotor bước từ vị trí 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 8 . Điều này tạo ra sự di
chuyển góc bằng một nửa so với các kiểu lái 1 pha hoặc 2 pha. Kiểu nửa bước có
thể làm giảm được hiện tượng cộng hưởng có thể gặp phải ở các kiểu lái 1 hoặc
2 pha.
Ở kiểu lái vi bước, các dòng điện trong các cuộn dây biến thiên liên tục để có thể
ngắt một bước đủ ra thành nhiều bước rời rạc nhỏ hơn. Ta có thể tóm tắt các
kiểu lái động cơ bước trong bảng sau.
Bảng 1.2: Trình tự kích thích cho các kiểu lái khác nhau.

1.4.3 Mạch điện điều khiển
Mạch điện ở đây được tập trung vào một vấn đề duy nhất, đó là chuyển
mạch đóng và ngắt dòng điện trong mỗi cuộn dây động cơ. Mạch điện được thảo
luận trong phần này được kết nối trực tiếp đến các cuộn dây động cơ và nguồn
cung cấp, và mạch điện được điều khiển bởi một hệ thống số (mạch số, mạch vi

xử lí, mạch vi điều khiển, máy tính, hay PLC) xác định khi nào các chuyển mạch
được đóng hay mở.
Phần này đề cập đến tất cả các dạng động cơ, từ mạch cơ bản được cần
đến để điều khiển động cơ từ trở biến thiên, đến mạch cầu H được cần đến để
điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu lưỡng cực. Mỗi loại mạch lái được minh
họa bằng các ví dụ thực tiễn, nhưng các ví dụ này không được xem như một
catalog thấu đáo của các mạch điều khiển có sẵn trên thị trường, hoặc thông tin
được cho ở đây không được dùng để thay thế cho thông tin được tìm thấy trong
các phiếu dữ liệu linh kiện của các hãng chế tạo.
Phần này chỉ bao quát mạch điều khiển cơ bản nhất cho mỗi loại động cơ.

19


Tất cả các mạch này giả sử rằng nguồn cung cấp động cơ cung cấp một
điện áp lái không lớn hơn điện áp định mức của động cơ, và điều này làm giới
hạn hiệu suất động cơ một cách đáng kể.
1.4.3.1điện điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên
Các bộ điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên thay đổi dựa trên mạch
nguyên lý trên Hình 1.10

Hình 1.11: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước từ trở biến thiên.
Trên Hình 1.11, các hộp vuông được sử dụng để đại diện cho các chuyển
mạch, một đơn vị điều khiển, không được vẽ ở đây, chịu trách nhiệm cung cấp
các tín hiệu điều khiển để mở hoặc đóng các chuyển mạch ở những thời điểm
tương ứng để quay trục động cơ.
Triệt EMF ngược
Các cuộn dây động cơ, các rơ le, solenoid và các thiết bị tương tự đều là
các tải cảm. Như thế, dòng điện qua cuộn dây động cơ không thể được đóng
hoặc ngắt tức thời mà không liên quan đến điện áp vô cùng! Khi chuyển mạch

điều khiển cuộn dây động cơ được đóng, cho phép dòng điện chạy qua, điều này
dẫn đến một sự tăng chậm trong dòng điện. Khi chuyển mạch điều khiển cuộn
dây động cơ mở, điều này dẫn đến một gai điện áp có thể phá hủy nghiêm trọng
chuyển mạch trừ khi nó được quan tâm một cách hợp lí. Vấn đề này được giải
quyết tương tự như trong mục ? Điều khiển rơ le và solenoid.

20


Hình 1.12: Các mạch nguyên lý triệt EMF ngược.
Sử dụng Diode
Nếu các diode dẫn tương đối chậm như họ 1N400X phổ biến được sử
dụng chung với một chuyển mạch nhanh, nên thêm một tụ điện nhỏ song song
với diode.
Sử dụng Tụ điện
Tụ điện trên Hình 1.11 ra các vấn đề thiết kế phức tạp hơn! Khi chuyển
mạch được đóng, tụ điện sẽ xả điện qua chuyển mạch xuống đất, và chuyển
mạch phải có khả năng điều khiển gai dòng điện xả này. Một điện trở mắc nối
tiếp với tụ điện hoặc nối tiếp với nguồn cung cấp sẽ giới hạn dòng điện này. Khi
chuyển mạch hở, năng lượng tích trữ trong cuộn dây động cơ sẽ nạp vào tụ điện
lên đến một điện áp trên điện áp cung cấp một mức đáng kể, và chuyển mạch
phải có khả năng chịu đựng điện áp này. Để giải quyết kích cỡ của tụ điện,
chúng ta xét hai công thức tính năng lượng được lưu trữ trong mạch cộng hưởng:
P = C V2 / 2
P = L I2 / 2
Trong đó:
P

năng lượng được lưu trữ

[W.s] hoặc [C.V]

C

điện dung

[F]

V

điện áp ngang qua tụ

[V]

L

điện cảm của cuộn dây động cơ

[H]

I

cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây động cơ

[A]

Kích cỡ tối thiểu của tụ điện được đòi hỏi để ngăn chặn quá áp trên
chuyển mạch dễ dàng được tìm bởi:
C > L I2 / (Vb - Vs)2
21

Trong đó:
Vb

điện áp đánh thủng chuyển mạch

Vs

điện áp cung cấp

Các động cơ từ trở biến thiên có điện cảm biến đổi tùy thuộc góc quay
của trục động cơ. Do đó, việc thiết kế trong trường hợp xấu nhất phải được sử
dụng để lựa chọn tụ điện. Hơn thế nữa, điện cảm động cơ thường ít được nêu ra
trong các tài liệu.
Tụ điện và cuộn dây động cơ, kết hợp lại, tạo thành một mạch cộng
hưởng. Nếu hệ thống điều khiển lái động cơ ở các tần số cao gần tần số cộng
hưởng của mạch điện này, dòng điện thông qua các cuộn dây động cơ, và do đó,
mô men bị ép sử dụng bởi động cơ, sẽ khá khác biệt so với mô men ở trạng thái
ổn định ở điện áp hoạt động bình thường. Tần số cộng hưởng được xác định:
f = 1 / ( 2 (L C)0.5 )
Nhắc lại, tần số cộng hưởng điện đối với một động cơ từ trở biến thiên sẽ
phụ thuộc vào góc quay của trục động cơ. Khi các động cơ từ trở biến thiên được
hoạt động với các xung kích thích gần cộng hưởng, dòng điện dao động trong
cuộn dây động cơ sẽ dẫn đến một từ trường hướng đến bằng không ở tần số bằng
hai tần số cộng hưởng, và điều này có thể làm giảm mạnh mô men vốn có.

1.4.3.2 Mạch điện điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh
cửu và lai đơn cực
Các bộ điều khiển cho các động cơ bước đơn cực thay đổi dựa trên mạch

nguyên lí trên Hình 1.13

Hình 1.13: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước
nam châm vĩnh cửu và lai đơn cực.
22


Cững như đối với mạch lái các động cơ từ trở biến thiên, chúng ta phải
quan tâm đến sự phản kháng điện cảm được tạo ra khi mỗi trong các chuyển
mạch được bật tắt. Tương tự, chúng ta có thể chuyển sự phản kháng điện cảm
này sang nơi khác nhờ sử dụng các diode, nhưng bây giờ, 4 diode được đòi hỏi.

Hình 1.14: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu
và lai đơn cực có triệt EMF ngược bằng các diode.
Các diode bổ sung được đòi hỏi bởi vì cuộn dây động cơ không phải là
hai cuộn cảm độc lập, nó là một cuộn cảm duy nhất có đầu ra ở giữa với đầu ra
có điện áp cố định. Nó hoạt động như một biến áp tự động. Khi một đầu ra của
cuộn dây động cơ được kéo xuống, đầu còn lại sẽ bỏ không (fly up), và ngược
lại. Khi chuyển mạch mở, điện cảm phản kháng ngược sẽ lái đầu dây này của
cuộn dây động cơ đến điện áp cung cấp dương, đã được xén bởi diode. Đầu đối
diện sẽ thả xuống, và khi đó nó đang không thả nổi ở điện áp cung cấp tại thời
điểm này, nó sẽ rớt xuống dưới đất (dưới không), đảo ngược điện áp ngang qua
chuyển mạch ở đầu dây này.
Một tụ điện cũng có thể được sử dụng để hạn chế điện áp phản kháng,
như được trình bày trên Hình 1.12.

Hình 1.15: Mạch nguyên lý điều khiển động cơ bước nam châm vĩnh cửu
và lai đơn cực có triệt EMF ngược bằng tụ điện.
Các qui tắc để định kích cỡ tụ điện trên Hình 1.15 cũng tương tự như các
23

qui tắc để định kích cỡ tụ điện trên Hình 1.12, nhưng ảnh hưởng của sự cộng
hưởng thì khá khác biệt. Với động cơ nam châm vĩnh cửu, nếu tụ điện được lái ở
tại hoặc gần tần số cộng hưởng, mô men sẽ tăng đến mức bằng hai lần mô men
tốc độ thấp. Mô men kết quả so với đường cong tốc độ có thể khá phức tạp, như
được trình bày trên Hình 1.16

Hình 1.16: Đường cong mô tả quan hệ giữa mô men và tốc độ cộng hưởng.
Trên Hình 1.16 trình bày một đỉnh trên mô men có sẵn tại tần số cộng
hưởng điện, và một lõm tại tần số cộng hưởng cơ. Nếu tần số cộng hưởng điện
được đặt tương ứng trên nơi xảy ra tốc độ cắt (cutoff speed) đối với động cơ nhờ
sử dụng bộ lái dựa trên diode, kết quả có thể là một sự tăng đáng kể trong tốc độ
cắt hiệu quả.
Tần số cộng hưởng cơ phụ thuộc vào mô men, vì vậy nếu tần số cộng hưởng cơ
ở bất cứ nơi nào gần cộng hưởng điện, nó sẽ bị dịch bởi cộng hưởng điện. Hơn
thế nữa, bề rộng của cộng hưởng cơ trên độ dốc lân cận của đường cong mô men
so với tốc độ; nếu mô men rớt theo tốc độ, cộng hưởng cơ sẽ nhọn hơn, trong khi
nếu mô men leo lên theo tốc độ, nó sẽ bành ra hơn hoặc thậm chí chặt thành
nhiều tần số cộng hưởng.
Trong các mạch điện ở phần trên , chúng ta không quan tâm đến công tắc
và các tín hiệu điều khiển. Bất kỳ kỹ thuật đóng cắt nào từ cầu dao đến
MOSFETS cũng đều được dùng hết. Hình 1.17 là một vài cách mắc cho mỗi loại
công tắc, bao gồm cả cuộn dây của động cơ và diod bảo vệ phục vụ cho mục
đích đóng cắt ở trên.

24


Hình 1.17: Một số cách mắc công tắc

Mỗi công tắc trên hình 17 đều tương thích với đầu vào TTL. Nguồn 5V
sử dụng cho mạch logic. Nguồn điện cho động cơ thường từ 5 – 24V, không cần
độ chính xác cao. Ta cần chú ý rằng các mạch đóng ngắt các nguồn này phải
thích hợp cho việc dẫn động các cuộn dây, động cơ DC, các tải cảm ứng và cả
các động cơ bước.
Transistor SK3180 trên hình 1.17 là một mạch darlington công suất có độ
lợi dòng hơn 1000, do đó dòng 10mA điện trở hiệu chỉnh 470 Ohm sẽ đủ lớn để
qua transistor điều chính dòng vài Ampe qua cuộn dây động cơ. Bộ dểm 7407
dùng để điều khiển darlington được thay thế bới bất kỳ con chíp open –
collecton điện thế cao mà nó có thể điều khiển ở mức tối thiểu 10mA. Ngay cả
trong trường hợp transitor hư, open – collecton này giúp bảo vẹ phần còn lại của
mạch logic khỏi nguồn động cơ.
IRC IRL540 trên hình 1.17 là một power fied effect transistor . nó có thể
chịu được dòng điện lên tới 10A và nó bị đánh thủng ở 100V, do đó con chíp
này có thể hấp thụ đỉnh nhọn của độ tự cảm mà không cần diod bảo vệ nếu nó
được gắn với một bộ tản nhiệt đủ lớn. Transitor này có thời gian đóng cắt rất
nhanh nên các diod bảo vệ cũng phải nhanh tương ứng hoặc chia nhỏ bớt các tụ
điện. Điều này đặc biệt cần thiết cho các diod bảo vệ transitor chống lại phân
cực ngược. Trong trường hợp transistor bị hư, diod zener và điện trở 100 Ohm sẽ
bảo vệ mạch TTL. Điện trở 100 Ohm còn đóng vai trò làm chậm thời gian đóng
mở của transistor.
Đối với những ứng dụng mà mỗi cuộn dây động cơ dẫn dòng nhỏ hơn
500 mA, mạch darlington họ ULN200x của Allegro Microsystems hoặc họ
DS200x của National semiconductor hay MC1413 của Motorola sẽ dẫn động
cho cuộn dây hoặc các tải cảm ứng khác hay trực tiếp từ tín hiệu logic. Hình

25