BÀI TẬP DÀI THIẾT KẾ HỆ VXL 8 BIT

BÀI TẬP DÀI THIẾT KẾ HỆ VXL 8 BIT
Đề bài: Thiết kế hệ VXL điều khiển động cơ bước (hai động cơ)
I. Yêu cầu:
Thiết kế hệ VXL :
+) Điều khiển chuyển động
+) Tạo thành một bộ điều khiển theo luật tỷ lệ (tích phân)
II. Nội dung:
1. Phân tích yêu cầu công nghệ(suy ra luật điều khiển)
2. Thiết kế sơ đồ khối hệ VXL
3. Chọn phần tử
4. Viết chương trình
5. Thử nghiệm
1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC
I. Giới thiệu động cơ bước:
Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành
đặc biệt là động cơ bước.
Động cơ bước 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 roto và có khả năng cố định roto vào
những vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các
tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số
góc quay tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi có
một xung điện áp đặt vào dây quấn stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto
(phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay
của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ
quay liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).
Về cấu tạo có thể coi động cơ bước 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.

Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính: Động cơ bước có roto được kích
thích (có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu), động
cơ bước có roto không kích thích (động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản
kháng), động cơ bước hỗn hợp (kết hợp cả hai loại trên).
Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay
dụng cụ số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành
chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực thực hiện trung thành
các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu( hình 1).
Sè xung b»ng sè buíc (3xung -3 buíc)
F
Mét xung b»ng mét buíc

H×nh 1. M« h×nh sè ho¸ ®éng c¬ buíc

2
II. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước:
Khác với động cơ đồng bộ không thường, roto của động cơ bước không
có cuộn dât khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó được khởi động bằng phương
pháp tần số, roto của động cơ bước có thể được kích thích (roto kích thích) hoặc
không được kích thích (roto thụ động).
Hình sau vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với roto có hai cực
(2p=2) và không được kích thích.
3
a)
4
1
m
2
F
1

3
b)
c)
4
4
3
F
2
1
1
F
m
2
m
2
F
1
F
1
2
F
F
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực
điện từ khi điều khiển bắng xung một cực.
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (hình 3a)
hoặc xung hai cực (hình 3b).
0
u
t t
0

u
a)
b)
X
1
H×nh 1.3. Xung ®iÖn ¸p cÊp cho cuén d©y stato:
a) xung mét cùc ; b) xung hai cùc
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn
dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số
và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của roto trong không
gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.
Ví dụ các cuộn dây của động cơ trên hình hai được cấp điện cho từng
cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3...m, bởi xung một cực, thì roto của động cơ
có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 2).
Trong thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ
thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện cho hai, ba hoặc nhiều cuộn
3
dây. Lúc đó roto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với
vecto điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực
điện từ thành phần của các cuộn dây stato (hình 2b và 2c).
Trên hình 2b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một
số chẵn các cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm
ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Trên hình 2c vẽ lực điện từ tổng F
khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ các cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện
từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn. Trong
cả hai trường hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cho một số lẻ cuộn
dây), rôto của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vi trí
liên tiếp của roto bằng
m/2
π

.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví
dụ kết hợp giữa hình 2b và 2c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển
luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của
roto sẽ tăng gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng
m2/2
π
. Trường hợp này được gọi là điều khiển không xứng; hay điều khiển
nửa bước (Haft Step).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số
chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b và 2c) thì roto có m vị trí
cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (Full
Step).
III. Ứng dụng của động cơ bước:
Động cơ bước ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự
động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác. Đặc biệt là các lĩnh vực: điều
khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và các máy in trong hệ thống máy tính, điều khiển
robốt, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ
quang khác phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát,
lập trình điều khiển trong các hệ gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái
phương và chiều trong máy bay...
4
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
I. Các yêu cầu về điều khiển động cơ bước:
1. Các chế độ điều khiển:
Hình 2.1. Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước
Hình 2.1 vẽ mối quan hệ giữa véc tơ lực điện từ F
1
,F
2

của hai cuộn dây
1và 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và vecto lực điện từ tổng F.
Trên hình 2.1:
F
1
: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 1 được kích thích;
F
2
: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 2 được kích thích;
F : lực điện từ tổng;
α
: góc bước;
β
: góc cần điều chỉnh (góc vi bước)
Xét trong tam giác OAB ta có
α
α
β
cos2
cos
cos
21
2
2
2
1
21
FFFF
FF
++

+
=
Từ công thức trên ta suy ra các trường hợp sau:
a. Điều khiển cả bước:
- Điều khiển cả bước: Đầu tiên cho F
2
= 0 và F
1
= F nên roto ở vị trí trục
cuộn dây một. Sau đó cho F
1
= 0 và F
2
= F nên roto ở vị trí trục cuộn dây hai.
b. Điều khiển nửa bước:
- Nếu ta cho F
2
=0 và F
1
=F, roto ở vị trí trục cuộn dây1.
- Tiếp theo là cho F
1
=F
2
=F,
( )
22
cos
cos12
cos1

cos
α
β
α
α
α
β
=→=
+
+
=
roto ở vị trí giữa góc
α
.
- Sau đó cho F
1
=0 và F
2
=F, roto ở vị trí trục cuộn dây 2.
Trong trường hợp này roto sẽ chuyển động từng bước
),2/,0.(2/
ααβαθ
==
.
c. Điều khiển vi bước:
Nếu ta điều khiển sao cho lực F
1
giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và
lực F
2

tăng dần từng bước từ 0 đến F thì roto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến
OB.
2. Các đặc trưng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bước:
5
Đối với động cơ bước, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp
nhau. Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung
điều khiển:
- Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U).
- Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bước).
- Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay).
- Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp
(liên quan đến chiều quay và mômen tải).
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung, động cơ bước có bốn trạng thái sau đây:
a. Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào được cấp điện:
- Đối với động cơ phản kháng: roto sẽ quay trơn.
- Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: có mômen
hãm, roto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực
của roto và stato là nhỏ nhất.
b.Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều. Roto mang
tải sẽ được giữ chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra
mômen giữ.
c.Trạng thái dịch chuyển bước: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ
sang vị trí bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp.
d.Trạng thái quay quá giới hạn: Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có
tần số quá cao, động cơ sẽ quay vượt quá tốc độ. Ở trạng thái này động cơ
không đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm từ
từ. Muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuông dưới tốc độ giới hạn để
hoạt động trong chế độ bước.
Như vậy động cơ bước chỉ được coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và
c.

3. Điều khiển dòng điện I và điện áp U:
Có rất nhiều cách để điều khiển dòng điện và điện áp như : điều khiển
dòng áp bằng hệ số L/R, điều khiển dòng áp bằng độ rộng xung, điều khiển
dòng áp bằng điện áp hai mức, điều khiển dòng áp bằng nguồn dòng.
Trong phạm vi bài tập lớn này ta sử dụng phương pháp điều khiển dòng
áp bằng nguồn dòng.
6