Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước

Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Hưng Yên, Ngày… tháng 11 năm 2011
Giáo viên hướng dẫn:

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO

1


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 4
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU .................................................................................... 5
1 .1. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ................................................................................. 5
1.1.1 Điện Trở ................................................................................................... 5
1.1.2 Tụ Điện ....................................................................................................... 7
1.1.3 Diod bán dẫn ............................................................................................. 9
1.1.4 Transistor................................................................................................. 12
1.2 . GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC .............................................................. 15
1.2.1 Tổng quan về động cơ bước ................................................................... 15
1.2.2 Hoạt động của động cơ bước ................................................................. 17
1.2.3 Phân loại động cơ bước: ......................................................................... 17
1.2.4 Một số thông số và khái niệm. ............................................................... 23
1.2.5 Các chế độ điều khiển động cơ bước. .................................................... 25
1.2.6 Kết Luận ................................................................................................. 27
1.3 GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ 89C51 ................................................................. 28
1.3.1 Cấu tạo phần cứng:................................................................................. 28
1.3.2 Mạch cơ bản để 89C51 làm việc: .......................................................... 32
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU,THIÊT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ BƯỚC .................................................................................................. 33
2.1 Thiết kế mạch điều khiển và mạch lực: ...................................................... 33
2.1.1 Chọn động cơ bước ................................................................................. 33
2.1.2 Kết nối Vi Điều khiển với động cơ bước: ............................................... 33

2.2 Xây dựng chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý của mạch ........... 34
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
2


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

2.2.1 Lưu đồ thuật toán: ................................................................................... 34
2.2.2 Chương trình điều khiển :..................................................................... 36
2.3 Mạch nguồn : ................................................................................................ 41
2.3.1. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .................................................................. 42
2.3.2. Sơ đồ đi dây khối nguồn ........................................................................ 42
2.3.3. Sơ đồ bố trí linh kiện khối nguồn ......................................................... 43
2.4. Khối điều khiển của mạch ......................................................................... 44
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý : ................................................................................... 44
2.4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch:............................................................. 44
2.4.3 Sơ đồ đi dây khối điều khiển ................................................................. 45
2.4.4 Sơ đồ bố trí linh kiện khối điều khiển................................................... 46
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ CHẠY THỬ ĐỘNG CƠ
BƯỚC ...................................................................................................................... 47
3.1 Tính chọn các linh kiện điện tử cho mạch điều khiển. .............................. 48
3.2 Tính chọn linh kiện điện tử cho mạch nguồn ............................................. 50
3.3 Chạy thử động cơ bước................................................................................. 50
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 51

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
3


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học
LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh
mẽ và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn của
ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý.
Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , Kĩ thuật
vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp
ứng được mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với
giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay
đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử.
Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi
người. Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên
cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước dùng vi xử lý điều kiển tự
động ”. Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học
hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ sung thêm vào hành trang của mình
trên con đường đã chọn.
Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở
trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và các bạn đồ án môn học của chúng em đã hoàn thành. Mặc dù đã cố
gắng nghiên cứu và trình bày nhưng không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm

lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý
kiến để đồ án môn học này hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện :
Linh Trọng Quý
Nguyễn Quang Tạo

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
4


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU

1 .1. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
1.1.1 Điện Trở
1.1.1.1 Khái niệm : Điện trở là linh kiện điện tử thụ động không thể thiếu trong
các mạch điện và điện tử , chúng có tác dụng cản trở dòng điện tạo sự sụt áp để
thực hiện các chức năng khác tùy theo vị trí của điện trở trong mạch
Đơn vị : ôm (  )
Công thưc tính : R  

l
s

10

Điện trở thường

6,8

5W

Điện trở công
suất

10W

Điện trở công suất

Biến trở

1.1.1.2 Các loại điện trở
- Điện trở than : Gồm có ba loại cơ bản sau.
Than ép : Loại này có công suất < 3W và hoạt động ở tần số thấp .
Màng than: Loại này có công suât >3W và hoạt động ở tần số cao.
Dây quấn : Loại này có công suất > 5W và hoạt động ở tần số cao.
-Điện trở công suất :Gồm ba loại cơ bản sau .
Công suất nhỏ : Kích thước nhỏ .
Công suất trung bình : Kich thước lớn hơn.
Công suất lớn : Kich thước lớn hơn.
- Biến trở : Là loại điện trở có khả năng thay đổi được giá trị của mình .
- Quang trở :Có thể thay đổi được thông số nhờ vào ánh sáng .
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
5


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Bên cạnh đó còn có một số loại điện trở khác như: Điện trở nhiệt , điện trở dây
quấn , điện trở ximang, điển trở thay đổi điện áp, mạng điện trở điện trở cầu trì .
1.1.1.3 Các kiểu ghép điện trở .
Ghép nối tiếp :

Ghép song song:

1.1.1.4 Ứng dụng .
-Cầu phân áp
-Phân phối dòng điện thích hợp cho tải.
1.1.1.5 Các thông số anh hưởng điện trở .
- Nhiệt độ
-Thời gian.
-Cao tần
1.1.1.6 Cách kiểm tra điện trở .
* Kiểm tra bằng mắt thường.
* Kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng : Xem có đúng với giá trị thực ghi trên điện trở
không.
Kiểm tra để đo biến trở .
-Vặn đồng hồ về thang đo Ohm.

-Đo cặp chân 1-3 rồi đối chiếu với giá trị ghi trên điện trở .
-Đo tiếp cặp chân 1-2 rồi dùng tay chỉnh thử xem kim đồng hồ có thay đổi không .
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
6


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

+ Nếu thay đổi chậm ta xác định VR là loại A .
+ Nếu thay đổi nhanh ta xác định VR là loại B.
+ Nếu kim đồng hồ thay đổi rồi chuyển hẳn về  là biến trở bị đứt .
+ Nếu kim đồng hồ thay đổi rồi lại chuyển về  rồi lại trở về vị trí gần đó là biến
trở bị bẩn , rỗ mặt.
1.1.1.7 Những hư hỏng thường gặp ở điện trở
Đối với các VR loại than thường gặp các hư hỏng như :đứt,bẩn, rỗ mặt than .
Trường hợp mặt than bị bẩn , rỗ mặt sẽ gây ra những hư hỏng thường gặp trong
thực tế .Để khắc phục nhanh hỏng hóc trong trường hợp này ta dùng xịt gió thổi
sạch các cáu bẩn , rồi nhỏ một ít dầu máy khâu vào biến trở là xong.
Cháy do làm việc quá công suất
Đứt đo ohm không lên
Tăng trị số thường sảy ra với các điện trở bột than , do lâu ngày hoạt tính của bột
than bị biến chất làm tăng trị số điện trở .
Giảm trị số thường xảy ra với các điện trở dây quấn ,do lâu ngày bị chạm một số
vòng dây.
1.1.2 Tụ Điện

1.1.2.1. Khái niệm
Tụ điện gồm hai bản cực ghép song song làm bằng chất dẫn điện ,giữa hai bản cực
là chất điện môi (cách điện ), là một bình chứ điện nhỏ , nạp và phóng điện lúc cần
thiết . Giá trị dòng điện qua tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến dổi điện áp trên nó theo
thời gian:
Công thức: i=c
1.1.2.2 Chức năng .
Tụ điện ngăn không cho dòng điện một chiều đi qua , chỉ cho phép dòng xoay
chiều đi qua bằng cơ chế phóng nạp điện tích giữa hai bản tụ . Khả năng nạp , xả
nhiều hay ít phụ thuộc vào điện dung C của tụ điện . Tụ điện là linh kiện có thể lưu
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
7


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

chú được các điện tích và tích lũy năng lượng dưới dạng điện trường .Khi sử dụng
cần quan tâm đến hai thông số :
+ Điện dung : Cho biết khả năng chứa điện của tụ điện .
+ Điện áp :Cho biết khả năng chịu đựng của tụ điện .
Đơn vị: fara (F),  F, nF.
1.1.2.3 Các loại tụ điện :
.01
50

203
25

104

C = 20.103 pF

1500
1,5KV

C=0,01  F C = 1500 pF

= 20 nF
U = 1,5KV

U = 50V

10µF 16V

100µF 50V

U = 25V
1000µF 25V

C = 10  F

C = 1000  F

U = 16V

U = 25V

Bên cạnh các loại tụ nói trên còn có các loại tụ khác như :
Tụ giấy , tụ mica , tụ màng mỏng , tụ tantal , tụ biến đổi , tụ không phân cực ,
màng tụ điện …
1.1.2.4 Các cách ghép tụ
A. Ghép nối tiếp

B. Ghép song song

1.1.2.5 Ứng dụng của tụ điện .
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
8


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Tụ điện sử dụng rất nhiều trong ký thuật điện và điện tử .
-Dùng để làm lệch pha , tạo từ trường quay để làm quay moto.
-Dùng để bù pha tránh hiện tượng lệch pha trong mạch điện xoay chiều ba pha.
-Để lọc điện trong các bộ nắn , làm tụ lọc tụ liên lạc , phân dòng trong các mạch
khuếch đại âm tần .
-Tụ có giá trị điện dung bé thường dùng nhiều ở khu vực mạch cao tần .
-Tụ biến đổi dùng để lắp trong mạch cộng hưởng có tần số điều chỉnh được …..
1.1.3 Diod bán dẫn

1.1.3.1 Khái niệm
Dùng bán dẫn có tiếp giáp P-N người ta diod bán dẫn .

A

K

1.1.3.2 Nguyên tắc hoạt động của diod bán dẫn.
*Phân cực thuận :
Khi nối nguồn DC bên ngoài với diod , cực dương ngoài nối với diod anot .Do tác
động của nguồn ngoài miền điện tích không gian của tiếp giáp P-N thu hẹp lại . Khi
điện áp phân cực đạt tới một giá trị thích hợp thì thường là 0.2V với Ge và 0.6V
với Si thì miền điện tích không gian bị triệt tiêu ,cho phép các dòng điện tử tiếp tục
chạy về cực dương của nguồn và dòng lỗ trống di chuyển về cực âm của nguồn tạo
ra dòng điện chạy trong diod.
* Phân cực ngược :
Dùng một nguồn điện nối từ cực âm của nguồn vào chân P của diod và cực dương
của nguồn vào chân N của diod . Lúc đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của
vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lỗ trống
và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa các
electron và lỗ trống càng khó khăn hơn . Tuy nhiên trường hợp này vẫn có dòng
điện rất nhỏ đi qua diod từ vùng N sang vùng P gọi là dòng điện rỉ trị số khoảng
 A.Hiện tượng này được giải thích là do trong chất P cũng có một số ít electron và
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
9

Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

trong chất N cũng có một số ít lỗ trống gọi là hạt tải thiểu số , những hạt tải thiểu số
này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và tạo thành dòng điện rò .
Dòng điện rò còn gọi là dòng điện bão hòa nghịch Is (saturate:bão hòa) Do dòng
điện rò có trị số rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp người ta coi như diod không
dẫn điện khi được phân cực ngược .
* Đặc tuyến vol-ampe của diod bán dẫn như sau:

IA(mA)
Điện áp
thuận

80

Điện áp
đánh thủng

(1)

60
40
20

15

10

5
0.2

0.4

0.6

UAK(V)

(2)

( 3)

1.1.3.3 Các thông số của diode bán dẫn.
-Điện áp nghịch cực đại là điện áp phân cực nghịch lớn nhất đưa vào diode mà
không đánh thủng diode.
-Dòng điện thuận cực đại là dòng điện lớn nhất có thể chạy qua diode mà diode
không bị đánh thủng .
-Dòng điện thuận trung bình là dòng điện làm việc của diode .
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
10


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

-Điện áp thuận rơi trên diode Vf là điện áp ngưỡng của lớp tiếp giáp P-N .Điện áp
này đo được ở một dòng điện quy định .
1.1.3.4 Các loại diode đặc biệt
1. Diode Zener :
a) Cấu tạo :Diode zener có cấu tạo giống như diod thường nhưng các chất bán dẫn
được pha tạp chất với tỷ lệ cao hơn diod thường .Diode zener thường là loại silic.
b) Đặc tính : Trạng thái phân cực thuận : Diode zener có đặc tính giống như diode
nắn điện thông thường .
Trạng thái phân cực ngược do pha tạp chất với tỷ lệ cao nên điện áp
nghịch VRmax có trị số thấp hơn diode nắn điện gọi là điện áp zener VZ
c) Ứng dụng :Mạch ổn áp.
Diode zener được làm linh kiện ổn định điện áp trong các mạch có điện áp nguồn
thay đổi.
2.Diode quang (photo diode).
Cấu tạo : Diode quang có cấu tạo giống như diode thường nhưng vỏ bọc cách điện
có một phần là kính hay thủy tinh để nhận ánh sáng chiếu vào mối nối P-N.
Mối nối P-N phân cực nghịch khi được chiếu sáng vào mạch tiếp giáp sẽ phát
sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với
cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó.
Trị số điện trở của photo diode trong trường hợp dược chiếu sáng và bị che tối .
-Khi bị che tối Rnghịch= vô cực  ; Rthuận :rất lớn
-Khi chiếu sáng Rnghịch=10k   100k  ; Rthuận:=vài trăm 
Diode quang sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng
, báo động cháy .
3.Diod phat quang led (Laght emitting diod ).
Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng
nhiệt . Ở một số chất bán dẫn đặc biệt là (GaAs) khi có dòng điện đi qua có hiện
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ

NGUYỄN QUANG TẠO
11


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng ).Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra
có màu khác nhau .Dựa vào tính chất này người ta chế tạo ra Led có màu khác
nhau.
Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diod nắn điện nhưng điện áp phân cực
ngược cực đại thường không cao.
Led thường được dùng trong mạch báo hiệu ,chỉ thị trạng thái của mạch như báo
nguồn , trạng thái thuận hay ngược ….
4.Diod tách sóng
Diod tách sóng là loại diod làm việc ở dòng xoay chiều có tần số cao , có dòng
điện .
Chịu đựng nhỏ (IDmax=vài chục mA) và điện áp ngược cực đại thấp (VRmax=vài chục
V).Để làm việc ở tần số cao diod tách sóng phải có điện áp ký sinh rất nhỏ nên mối
nối P-N có điện tích tiếp giáp rất nhỏ .Diod tách sóng thường là Ge
Diod tách sóng ký hiệu như diod thường nhưng vỏ cách điện bên ngoài thường
là lớp thủy tinh trong suốt .
5.Diod biến dung (varicap).
Diod biến dung là diod có điện dung ký sinh thay đổi theo điện áp phân cực
Khi diod được phân cực thuận thì lỗ trống và electron ở hai lớp bán dẫn bị đẩy lại
gần nhau và làm thu hẹp bề dày cách điện nên điện dung được tăng lên .Khi diod
được phân cực ngược thì lỗ trống và electron bị kéo ra xa và làm tăng bề dày cách
điện nên điện dung bị giảm xuống
Diod biến dung được sử dụng như một tụ điện biến đổi (bằng cách thay đổi điện

áp phân cực ) để thay đổi tần số của mạch cộng hưởng .
1.1.3.5 Ứng dụng của diode bán dẫn .
Mạch nắn điện bán kỳ Mạch nắn điện toàn chu kỳ
Mạch ổn áp
1.1.4 Transistor

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
12


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

1.1.4.1 Cấu tạo :
Gồm ba lớp bán dẫn ghép lại với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp P-N nằm
ngược chiều nhau .Ba vùng bán dẫn được nối ra ba chân gọi là ba cực .
+) Cực nối với vùng bán dẫn chung gọi là cực gốc . Cực gốc mỏng và nồng độ tạp
chất thấp.
+) Hai cực nối với hai vùng bán dẫn ở hai bên là cực phát emitter và cực thu
collector , hai vùng bán dẫn có chung loại bán dẫn nhưng có kích thước và nồng độ
tạp chất khác nhau nên không thể hoán vị cho nhau được . Vùng cực E có nồng độ
tạp chất rất cao còn vùng cực C có nồng độ tạp chất lớn hơn vùng B nhưng nhỏ hơn
vùng E.
1.1.4.2 Những thông số kỹ thuật chủ yếu của transistor.
Dòng điện cực đại cho phép : là dòng điện lớn nhất có thể đi qua transistor mà
không làm hư nó .

Điện áp đánh thủng : là điện áp nghịch tối đa đặt vào cặp cực BE , BC ,CE . Nếu
quá điện áp này thì transistor bị hư.
Công suất cực đại cho phép :transistor hoat động sẽ tiêu thụ một công suất .Nếu
công suất vượt quá công suất cực đại cho phép thì transistor bị hỏng.
Tần số cắt :là tần số mà khi transistor làm việc ở đó , hệ số khuếch đại dòng của
nó giảm xuống còn 0.7 trị số so với lúc làm việc ở tần số thấp . Ở vùng có tần số
cao hơn nữa thì hệ số khuếch đại dòng giảm mạnh.
1.1.4.3 Cấp điện và phân cực cho transistor
a) Cấp điện cho transistor :
Cấp điện cho transistor là cung cấp điện áp một chiều thích hợp , đặt vào hai cực
C và E của transistor .
Với transistor NPN cực dương của nguồn nối vào chân C và cực dương của
nguồn nối vào chân E .Về điện áp thì tùy thuộc vào vị trí mà giá trị cụ thể của
transistor trong mạch mà cung cấp giá trị điện áp cần thiết .
b) Phân cực cho transistor :
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
13


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Phân cực cho transistor là cung cấp một điện áp DC thích hợp giữa chân B,C,E để
đảm bảo cho tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực nghịch .
-Với transistor NPN :Ub>UE và Ub>UC
-Với transistor PNP Ub<UE và Ub>UC

Về giá trị điện áp :Tùy thuộc vào vật liệu cấu tạo lên transistor là Si hay Ge mà giá
trị điện áp UBE nằm trong một khoảng nhất định .
+) Với transistor Si :UBE từ 0.3 đến 0.6 V
+)Với transistor Ge :UBE từ 0.1 đến 0.4 V
1.1.4.4 Các cách mắc transistor cơ bản .
Có ba cách mắc cơ bản sau:
+Cách mắc kiểu E chung
+Cách mắc kiểu B chung
+Cách mắc kiểu C chung
1.1.4.5 Các loại transistor .
NPN và PNP

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
14


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

1.2 . GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.2.1 Tổng quan về động cơ bước
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ
chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh
cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng
vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ
điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có

thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu
hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay
khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại
dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.

Hình1.1: Hình ảnh thực tế của động cơ bước
Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả
hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng
chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog.
Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của
rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và
vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
15


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và
nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt
qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị
trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh
kiện analog khác trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;

những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,
nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ
điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển
vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải
nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt
với đa số các loại động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ
đồng bộ dùng đẻ 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 có
khả năng cố định roto 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.
A

N

N
O
S

C

D

S

S

C

N

N

Hướng
Nam

S

B

N
O
S

Hướng
Bắc

N

A

D

S

B

Hình 1.2 Bố trí roto
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
16


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

1.2.2 Hoạt động của động cơ bước
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước
nên có độ chính xác 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.
1.2.3 Phân loại động cơ bước:
Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và từ biến trở ( cũng có
loại động cơ hỗn hợp, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm châm
vĩnh cửu).Nếu mất đi nhãn động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ
này bằng các giác quan mà không cần cấp điện cho chúng, Động cơ nam châm vĩnh
cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong
khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng
cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có thể phân
biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với
một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai
mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng
trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém quay 90 độ mỗi bước,

trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến
0.72 độ mỗi bước.
1.2.3.1 Động cơ biến từ trở

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
17


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Hình 1.3
Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây được nối như hình 1.2, với một đầu nối
chung cho tất cả các cuộn dây, thì nó chắc chắn là một động cơ từ trở. Khi sử dụng,
dây nối chung (C ) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được
kích theo thứ tự liên tục.
Dấu thập trong hình 1.2 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.
Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai
cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu
dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo
chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.
Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân
phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng
điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim
đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:
Cuộn 1 1001001001001001001001001

Cuộn 2 0100100100100100100100100
Cuộn 3 0010010010010010010010010
thời gian ‐‐

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
18


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

1.2.3.2 Động cơ đơn cực

Hình 1.4
Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5,
6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.4 với một đầu nối trung tâm
trên các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực
dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo
chiều từ trường tạo bởi cuộn đó.
Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và
bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,
xếp xen kẽ trên vòng tròn.
Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng
hơn. Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ
nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là
khá lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi

bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6
độ đến1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ
Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra
cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở
mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ
một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy:
Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001
Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
19


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian --> thời gian -->.
Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy
nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy
bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì
vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một
lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1,4 lần trong khi
phải cấp điện gấp 2 lần.
1.2.3.3 Động cơ hai cực
Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí

giống y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn
giản hơn, không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản
hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp
hơn. Minh hoạ ở hình 1.5 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở
đây giống như ở hình 1.4

Hình 1.5
Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
20


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

mấu;điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần Các mạch điều khiển. Tóm lại, một
cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một
cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được
nêu bên dưới, dùng + và ‐ để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào
mỗi đầu của động cơ:
Đầu 1a + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐
Đầu 1b ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + +
Đầu 2a ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐
Đầu 2b ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + ‐ ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ + + ‐ ‐ +
Thời gian -->
Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở

mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển
cho hai loại động cơ này là giống nhau.
Chú ý khác là có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra
và một đầu khác để điều khiển hướng. Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều khiển
dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên:
Enable 1 :1010101010101010 1111111111111111
Hướng 1 :1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100
Enable 2 :0101010101010101 1111111111111111
Hướng 2 :x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110
thời gian -->
Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây
biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh
cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối
tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng được nối song
song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp. Nếu chúng được nối tiếp với
một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp.
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
21


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

1.2.3.4 Động cơ nhiều pha
Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là
động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng

kín như hình 3.4. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha
và 5 pha.

Hình 1.6
Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam
châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 1.6
Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều
khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có
thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích
thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500
bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng
bước, như trình bày dưới đây:
Đầu 1 + + + - - - - + + + + + - - - - - + +
Đầu 2 - - + + + + + - - - - - + + + + + - - Đầu 3 + - - - - - + + + + + - - - - - + + + +
Đầu 4 + + + + + - - - - - + + + + + - - - - -

Thời gian -->

Đầu 5 - - - - + + + + + - - - - - + + + + + Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào
cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ. Chú ý rằng, tại mỗi bước,
GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
22


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

chỉ có một đầu thay đổi cực. Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu
đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong
trạng thái nghỉ trước đó. Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 1.4, dãy
điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng.
Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng,
nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai
đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R.
Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây
dẫn chính. Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử
dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều
khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó. Để tránh việc tính toán lý thuyết với các
linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng.
1.2.4 .Một số thông số và khái niệm.
1.2..4.1 Góc bước:
Mỗi bước dịch chuyển bao nhiêu là tuỳ thuộc vào cấu trúc bên trong của
động cơ, đặc biệt là số răng của roto và stator. Góc bước là độ quay nhỏ nhất của
một bước. Các động cơ khác nhau có góc bước khác nhau (bảng 1).
Các góc bước của động cơ.
Bảng 1:
Góc bước

Số bước/vòng

0.72

500

1.8

200

2.0

180

2.5

144

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
23


Khoa:Điện – Điện tử

Đồ án môn học

5

72

7.5

48

15

24

1.2.4.2.Quan hệ bước/ giây và số vòng quay/ phút RPM.
Quan hệ giữa số vòng quay/phút RPM (revolutions per minute), với số bước
của mỗi vòng quay và số bước/giây là quan hệ trực quan và được biểu diễn như
sau:
Số bước trong giây =

RPM
x số bước trong vòng quay.
60

1.2.4.3.Chuỗi xung bước và số răng trên roto.
Chuỗi xung chuyển mạch nêu ở bảng 1 được gọi là chuỗi xung chuyển mạch
bốn bước, bởi vì sau 4 bước thì hai cuộn dây giống hệt nhau sẽ được bật. Sau bốn
bước này động cơ chỉ quay được một bánh răng. Do vậy số bánh răng của động cơ
có thể tính:
Số bánh răng= số bước/ vòng:4
Như vậy có thể kết luận góc bước tối thiểu của động cơ là hàm của số bánh răng.
Ở đây xảy ra trường hợp khi góc bước của động cơ là chẵn mà muốn động cơ quay
với số bước là lẻ thì làm thế nào? Ví dụ khi góc bước là 2 độ muốn động cơ quay 1
độ. Vậy muốn có độ phân giải nhỏ hơn thì động cơ bước cần dùng chuỗi chuyển
mạch 8 bước thay cho 4 bước nêu trên, chuỗi 8 bước còn gọi là chuỗi nửa bước
(half stepping), vì ở mỗi chuỗi 8 bước ,thì mỗi bước là một nửa góc bình thường.
Bảng chuỗi xung 8 bước

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ

NGUYỄN QUANG TẠO
24


Khoa:Điện – Điện tử
Chiều kim
Bước
đồng hồ

Đồ án môn học
Cuộn
dây A

Cuộn
dây B

Cuộn
dây C

Cuộn
dây D

1

1

0

0

1

2

1

0

0

0

3

1

1

0

0

4

0

1

0

0

5

0

1

1

0

6

0

0

1

0

7

0

0

1

1

8

0

0

0

1

Chiều
quay bộ
đếm

Bảng 2
1.2.4.4.Tốc độ động cơ.
Tốc độ của động cơ được đo bằng số bước dịch được trong vòng 1 giây là
hàm của tốc độ chuyển mạch. Bằng cách thay đổi thời giam trễ thì ta có thể thay
đổi được tốc độ quay khác nhau.
1.2.4.5 Momen giữ.
Mômen giữ được định nghĩa là lượng mômen ngoài cần thiết để làm quay
trục động cơ từ vị trí giữ của nó với điều kiện trục động cơ đang đứng yên. Đại
lượng này được đo bằng tỷ lệ điện áp và dòng điện cấp đến động cơ. Đơn vị của
mômen giữ là kg – cm
1.2.5 Các chế độ điều khiển động cơ bước.
- Điều khiển cả bước
- Điều khiển nửa bước
- Điều khỉên vi bước

GVHD:NGUYỄN TRUNG THÀNH

SVTH:LINH TRỌNG QUÝ
NGUYỄN QUANG TẠO
25