Chế tạo máy khoan mạch in tự động báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp trường

BỘ CƠNG THƢƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG
PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài: Chế tạo máy khoan mạch in tự động
Mã số đề tài: I82.Đ05
Chủ nhiệm đề tài: Trần Văn Hƣng
Đơn vị thực hiện: Khoa Điện trƣờng Đại học Công nghiệp TP.HCM

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 09 năm 2018


PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHOA HỌC
1. Họ và tên sinh viên:
Trần Văn Hƣng

MSSV: 14063551

2. Tên đề tài:
Chế tạo máy khoan mạch in tự động
3. Nội dung:
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khoan mạch in tự động cho phòng thực hành
X14.16.
4. Kết quả:
Hoàn thành báo cáo và máy khoan mạch in tự động

Hội đồng nghiệm thu

TP.HCM, ngày tháng năm
Sinh viên

1


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

NỘI DUNG GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG NGHIỆM THU
….………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
i


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

MỤC LỤC
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ........................................1
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪNError!

Bookmark

not

defined.
MỤC LỤC ........................................................................................................... ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................v
DANH SÁCH CÁC BẢNG .............................................................................. vii
CHƢƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƢỚC .................................................1
1.1. Khái niệm về động cơ bƣớc .......................................................................1
1.1.1. Phân loại động cơ bƣớc ......................................................................2
1.1.2. Động cơ bƣớc từ trở biến thiên...........................................................2
1.1.3. Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu .....................................................3
1.1.4. Động cơ bƣớc lai ................................................................................4
1.1.5. Động cơ bƣớc lƣỡng cực ....................................................................5
1.1.6. Động cơ bƣớc đơn cực .......................................................................6
1.2. Những ƣu và nhƣợc điểm của động cơ bƣớc.............................................8
1.2.1. Các ƣu điểm ........................................................................................8
1.2.2. Các nhƣợc điểm ..................................................................................8
1.3. So sánh động cơ bƣớc với các động cơ khác.............................................8
1.3.1. So sánh với động cơ DC .....................................................................9
1.3.2. So sánh với động cơ Servo .................................................................9
1.4. Sử dụng động cơ bƣớc .............................................................................11

1.4.1. Thủ tục lựa chọn động cơ bƣớc ........................................................11
1.4.2. Nhận dạng động cơ bƣớc ..................................................................11
1.4.3. Xác đinh đầu dây ra của động cơ bƣớc 6 dây...................................14
ii


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

1.5. Điều khiển động cơ bƣớc.........................................................................15
1.5.1. Nguyên lý điều khiển........................................................................15
CHƢƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ PLC MITSUBISHI ..............................................18
2.1. Định nghĩa ...............................................................................................18
2.1.1. Định nghĩa ........................................................................................18
2.1.2. Lịch sử phát triển ..............................................................................18
2.2. Nguyên lý hoạt động................................................................................20
2.3. Plc và các hệ thống điều khiển khác ........................................................21
2.4. Plc và điều khiển máy tính ......................................................................22
2.5. Plc và máy tính ........................................................................................23
2.6. Phân loại plc ............................................................................................23
2.6.1. Theo hãng sãn xuất ...........................................................................23
2.6.2. Theo version .....................................................................................23
2.6.3. Theo số lƣợng đầu vào ra .................................................................31
2.7. Tập lệnh plc họ melsec fx series của mitsubishi [7]................................31
2.7.1. Các thiết bị của PLC họ FX ..............................................................31
2.7.2. Tập lệnh cơ bản của PLC series .......................................................32
2.7.3. Tập lệnh nâng cao của FX series ......................................................38
CHƢƠNG 3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC ...................................43
3.1. Giới thiệu .................................................................................................43

3.2. Cấu trúc module điều khiển đọng cơ bƣớc TB6560................................44
3.2.1. Sơ đồ khối. ........................................................................................44
3.2.2. Chức năng các khối ..........................................................................44
3.2.3. Sơ đồ ghép nối với các mạch điều khiển ..........................................45
3.3. Hƣớng dẫn sử dụng module TB6560 ......................................................45
3.3.1. Cảnh báo ...........................................................................................45
iii


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

3.3.2. Hƣớng dẫn sử dụng...........................................................................46
CHƢƠNG 4 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH ...............................................................48
4.1. Giới thiệu mơ hình ...................................................................................48
4.2. Mục đích của mơ hình .............................................................................48
4.3. Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình ..........................................................49
4.4. Sơ đồ đấu dây ..........................................................................................50
4.5. Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................51
4.6. Lƣu đồ chƣơng trình PLC ........................................................................52
4.7. Lệnh viết chƣơng trình cho động cơ bƣớc ..............................................54
4.8. Một số lệnh viết chƣơng trình .................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................56
PHỤ LỤC ...........................................................................................................57
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................62

iv

Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Một số mẫu động cơ bƣớc trong thực tế....................................................1
Hình 1. 2: các bộ phận cấu thành nên động cơ bƣớc. ................................................2
Hình 1. 3: Động cơ bƣớc từ trở. ...................................................................................3
Hình 1. 4: Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu. ...........................................................4
Hình 1. 5 Động cơ bƣớc lai ...........................................................................................5
Hình 1. 6: Sơ đồ quấn dây lƣỡng cực...........................................................................6
Hình 1. 7: Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. .....................................................................6
Hình 1. 8: Sơ đồ quấn dây đơn cực. .............................................................................7
Hình 1. 9: Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. .....................................................................7
Hình 1. 10: Ký hiệu động cơ bƣớc đa năng trên sơ đồ nguyên lý. ............................7
Hình 1. 11: Một mẫu nhãn của hãng Vexta. .............................................................12
Hình 1. 12: Mơ phỏng cách đấu dây bên trong các động cơ bƣớc. .........................13
Hình 1. 13: động cơ bƣớc 6 dây ..................................................................................14
Hình 1. 14: Xác đinh dây chung. ................................................................................14
Hình 1. 15: Trình tự kích thích cho các kiểu lái khác nhau ....................................16
Hình 2. 1: Sơ đồ ứng dụng PLC .................................................................................18
Hình 2. 2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động ........................................................................21
Hình 2. 3: PLC S7 – 200 của hãng Seamens .............................................................24
Hình 2. 4: PLC S7 – 300 của hãng Seamens ............................................................24
Hình 2. 5: PLC S7 – 1200 của hãng Seamens ...........................................................25
Hình 2. 6: PLC FX3S – 14MT của hãng Mitsubishi ................................................26
Hình 2. 7: PLC Mitsubishi FX 3U 34MT/ESS ..........................................................27
Hình 2. 8 PLC dịng Alpha..........................................................................................27
Hình 2. 9 PLX dịng FX0S ..........................................................................................28
Hình 2. 10: PLC dịng FX0N ......................................................................................29

Hình 2. 11: PLC FX1N ................................................................................................29
Hình 2. 12:PLC FX2N .................................................................................................30
Hình 2. 13: Lệnh Load và Load Inverse ....................................................................32
Hình 2. 14: Lệnh OUT.................................................................................................32
Hình 2. 15: Lệnh AND và ANI ...................................................................................33
v


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 2. 16: Lệnh OR và ORI ......................................................................................33
Hình 2. 17: Lệnh LDP và LDF ...................................................................................34
Hình 2. 18: Lệnh ANP và ANF ...................................................................................35
Hình 2. 19: Lệnh ORP và ORF ..................................................................................35
Hình 2. 20: Lệnh SET và RST ....................................................................................36
Hình 2. 21: Chƣơng trình ví dụ ..................................................................................36
Hình 2. 22: Lệnh TIMER, COUNTER ......................................................................37
Hình 2. 23: Hoạt động của bộ định thì và bộ đếm ....................................................37
Hình 2. 24: Lệnh END .................................................................................................38
Hình 2. 25 Lệnh CJ ......................................................................................................39
Hình 2. 26: Lệnh CALL ..............................................................................................40
Hình 2. 27: Lệnh so sánh .............................................................................................40
Hình 2. 28: Lệnh so sánh vùng ...................................................................................41
Hình 2. 29: Lệnh MOV ...............................................................................................41
Hình 2. 30: Lệnh XCH ................................................................................................42
Hình 2. 31: Lệnh BCD .................................................................................................42
Hình 2. 32: Lệnh BIN ..................................................................................................42
Hình 3. 1: Driver step motor TB6560 V2.0 ...............................................................43

Hình 3. 2: sơ đồ khối module TB6560........................................................................44
Hình 3. 3: Sơ đồ ghép nối với module TB6560 .........................................................45
Hình 3. 4: sơ đồ điều khiển module TB6560 .............................................................46
Hình 4. 1: Sơ đồ dấu dây .............................................................................................50
Hình 4. 2: Sơ đồ nguyên lý ..........................................................................................51
Hình 4. 3: Lƣu đồ chƣơng trình PLC ........................................................................52
Hình 4. 4: Lệnh PLSY .................................................................................................54

vi


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1. 1: Các góc bƣớc tiêu biểu của các loại động cơ bƣớc ...................................5
Bảng 1. 2: So sánh giữa động cơ bƣớc và động cơ Servo .........................................10
Bảng 1. 3: Thủ tục chọn động cơ bƣớc ......................................................................11
Bảng 1. 4: Quan hệ giữa số đầu dây ra và loại động cơ ...........................................12
Bảng 3. 1: điều chỉnh dòng ra module TB6560 .........................................................47
Bảng 3. 2: điều khiển nữa bƣớc, vi bƣớc module TB6560 .......................................47

vii


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

CHƢƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƢỚC
1.1.

Khái niệm về động cơ bƣớc
Động cơ bƣớc là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những

chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bƣớc quay những bƣớc tăng rời rạc khi
các xung điện điều khiển đƣợc áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các
động cơ liên hệ trực tiếp với các xung đƣợc áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan
hệ trực tiếp với hƣớng 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
lƣợng các xung đƣợc áp vào.
Động

Bộ lái

cơ bƣớc

Dây ra từ
động cơ
Hình 1. 1: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế

Ứng dụng đầu tiên của động cơ bƣớc là vào năm 1935. Các mơ hình động cơ
bƣớc trƣớc đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bƣớc ngày nay
đã đƣợc cải tiến rất nhiều và có thể đƣợc 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, …

1


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

1.1.1. Phân loại động cơ bƣớc
Động cơ bƣớc có thể đƣợc phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn
dây trên stator.
 Dựa theo Cấu trúc rotor, động cơ bƣớc đƣợc chia thành 3 loại:
-

Động cơ bƣớc từ trở biến thiên

-

Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu

-

Động cơ bƣớc lai.
 Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bƣớc đƣợc chia thành 2

loại:
-

Động cơ bƣớc đơn cực.

-

Động cơ bƣớc lƣỡng cực.

Hình 1. 2: các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.

1.1.2. Động cơ bƣớc từ trở biến thiên
Các động cơ bƣớc 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. Các rotor bằng thép có qn tính
nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor
khơng có từ tính nên khơng có lực từ dƣ khi động cơ khơng cịn đƣợc cấp điện và rotor
2


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

có thể quay tự do. Thơng thƣờng, các góc bƣớc của các động cơ bƣớc từ trở biến thiên
là 7,5o hoặc 15o.

Hình 1. 3: Động cơ bước từ trở.

1.1.3. Động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu
Các động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mơ
men duy trì khi động cơ khơng cịn đƣợc cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu đƣợc
định hƣớng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi.

3

Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 1. 4: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Một số động cơ bƣớc có các nam châm đƣợc chèn vào stator để cải thiện trƣờng
điện từ và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm đƣợc làm bằng hợp kim (gồm
nhôm, nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt). Các động cơ
bƣớc 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 bƣớc có thể đƣợc tìm thấy trên
tồn phạm vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8o; 7,5o, 30o; 45o; và 90o.
1.1.4. Động cơ bƣớc lai
Các động cơ bƣớc lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bƣớc từ trở biến
thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn đƣợc bọc xung
quanh trục động cơ. Nó khác với động cơ bƣớc nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu
rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam. Răng rotor đƣợc cắt thành hai chén
lõi thép đƣợc gắn chặt trên mỗi đầu. Động cơ bƣớc lai chỉ sử dụng phƣơng pháp cấu
tạo thứ hai. Các động cơ bƣớc lai có nhiều răng hơn và có mơ men lớn hơn. Các góc
bƣớc tiêu biểu là 0,9o và 1,8o.

4


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 1. 5 Động cơ bước lai

Ngày nay, các động cơ bƣớc đƣợc sử dụng rộng rãi là động cơ bƣớc nam châm
vĩnh cửu và động cơ bƣớc lai, với góc bƣớc 1,8o. Độ chính xác của hầu hết các động
cơ bƣớc là 3% góc bƣớc (bất chấp số bƣớc trên vịng); thế thì, độ chính xác đƣợc cải
thiện nhờ vào các góc bƣớc nhỏ hơn.
Loại động cơ bƣớc

Góc bƣớc 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
Bảng 1. 1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước

1.1.5. Động cơ bƣớc lƣỡng cực
Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dịng điện trong các cuộn
dây, cực tính điện từ cũng bị đảo.

5


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 1. 6: Sơ đồ quấn dây lưỡng cực.

Hình 1. 7: Ký hiệu trên sơ đồ nguyên
lý.

1.1.6.

Động cơ bƣớc đơn cực
Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn

dây trên một cực đƣợc kết nối sao cho khi một cuộn dây đƣợc cấp năng lƣợng thì cực
bắc nam châm đƣợc tạo ra, khi cuộn dây cịn lại đƣợc cấp năng lƣợng thì cực nam
đƣợc tạo ra. Cách quấn dây kiểu này đƣợc gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là
dịng 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 lƣỡng cực.

6


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 1. 8: Sơ đồ quấn dây đơn cực.

Hình 1. 9: Ký hiệu trên sơ đồ nguyên
lý.

Một số động cơ bƣớc đƣợc quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn
loại ra 8 dây. Ngƣời dùng có thể tùy chọn cách nối lƣỡng cực hay đơn cực cho động cơ
này. Chúng đƣợc gọi là các động cơ bƣớc đa năng.

Hình 1. 10: Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý.

Pha động cơ bƣớc liên quan đến số lƣợng các cuộn dây độc lập trên stator. Nói
chung, số răng trên stator và rotor đƣợc liên hệ bởi
NS = N R  P
Trong đó:
NS = số răng stator
7


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

NR = số răng rotor
P = số răng stator trên pha
Góc bƣớc o tính theo độ trên bƣớc đƣợc cho bởi:
0 

360
N

Trong đó N là số bƣớc trên vịng:
N

NR NS
[1]
NR  NS

Một động cơ bƣớc thƣờng đƣợc phân loại theo số dây nối đƣa ra từ vỏ động cơ,
điều này không liên quan đến số pha.
1.2.

Những ƣu và nhƣợc điểm của động cơ bƣớc

1.2.1. Các ƣu điểm
Góc quay của động cơ tỉ lệ với xung vào.
Động cơ có mơ men tồn phần khi dừng lại (nếu các cuộn dây đƣợc cấp năng
lƣợng).
Định vị chính xác và có khả năng lặp lại sự chuyển động vì các động cơ bƣớc
có độ chính xác 3%-5% bƣớc và sai số này khơng tích lũy từ bƣớc này sang bƣớc kế
tiếp.
Đáp ứng khởi động/dừng/đảo chiều tuyệt vời.
Rất tin cậy vì khơng có các chổi than tiếp xúc trong động cơ.
Đáp ứng của các động cơ đối với các xung số đƣa vào cung cấp sự điều khiển
vòng hở, làm đơn giản sự điều khiển và giảm giá thành.
Có khả năng đạt đƣợc sự quay đồng bộ ở tốc độ thấp với tải đƣợc ghép trực tiếp
với trục động cơ.
Một phạm vi rộng các tốc độ quay có thể đƣợc thực hiện khi tốc độ tỉ lệ với tần
số của các xung vào.
1.2.2. Các nhƣợc điểm
Sự cộng hƣởng xảy ra nếu không đƣợc điều khiển hợp lí.
Khơng dễ dàng hoạt động ở những tốc độ cực cao.
So sánh động cơ bƣớc với các loại động cơ khác
1.3.

So sánh động cơ bƣớc với các động cơ khác
8


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

1.3.1. So sánh với động cơ DC
Khi so sánh động cơ bƣớc với động cơ DC, có một số ƣu điểm và nhƣợc điểm
liên quan đến việc sử dụng chúng trong thiết kế:
 Các động cơ bước thuộc loại vòng hở. Chúng quay một góc cố định đối với mỗi
xung vào. Hầu hết các động cơ DC đƣợc điều khiển bằng vịng kín. Chúng địi
hỏi các cảm biến góc quay để cảm biến vị trí trục và cảm biến tốc độ để cảm biến
vận tốc. Điều này làm tăng số lƣợng thiết bị và giá thành.
 Các động cơ bước dễ dàng được điều khiển bởi các bộ vi xử lí. Tuy nhiên, logic
điều khiển và mạch lái thì phức tạp hơn.
 Các động cơ bước không dùng chổi than. Các chổi than gây ra nhiều vấn đề.
Chúng bị hao mòn và phải đƣợc thay thế. Chổi than phát sinh tia lửa có thể gây
nguy hiểm cho các mơi trƣờng dễ cháy và dễ nổ. Các chổi than có thể gây ra các
xung điện có thể dẫn đến các gai điện trong các thiết bị điện tử.
 Các động cơ DC có độ lệch liên tục và có thể được định vị chính xác. Sự chuyển
động của động cơ bƣớc gia tăng khơng liên tục và độ phân giải của nó bị giới hạn
bởi kích cỡ bƣớc.
 Các động cơ bước có thể bị trượt bước nếu quá tải và sai số có thể dẫn đến
khơng phát hiện được. Vì lí do này mà một ít động cơ bƣớc sử dụng điều khiển
vịng kín.
 Điều khiển hồi tiếp dùng các động cơ DC cho thời gian đáp ứng nhanh hơn nhiều
khi được so sánh với các động cơ bước.

1.3.2. So sánh với động cơ Servo
Các động cơ bƣớc là các động cơ „bƣớc‟ một góc mỗi khi mạch điều khiển cấp
một xung. Chúng khơng địi hỏi sự hồi tiếp vị trí nếu chạy bên trong những giới hạn
của chúng. Khi dừng lại, chúng vẫn giữ nguyên vị trí.
Các động cơ servo thuộc loại động cơ DC chuẩn hoặc không chổi than có vịng
hồi tiếp sử dụng cảm biến góc (encoder). Mạch điều khiển đọc vị trí của động cơ và
điều khiển nguồn cấp cho động cơ.
Các động cơ bƣớc cũng có độ chính xác nhƣ các động cơ servo và đơn giản
hơn, tin cậy hơn và bảo dƣỡng thoải mái trong các ứng dụng ở môi trƣờng bụi bặm.

9


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Các cảm biến góc quay của động cơ servo dễ bị ảnh hƣởng do dơ bẩn và sự dao động
gây ra nhiều vấn đề rắc rối.
Động cơ servo di chuyển điểm-điểm nhanh hơn và tốt hơn khi gia tốc cho các
máy móc nặng tải, nhƣng cần đƣợc bảo dƣỡng nhiều hơn. Hệ thống động cơ bƣớc có
thể nhanh hoặc nhanh hơn nhiều hệ thống servo nhờ vào thuật toán điều khiển bằng
phần mềm.
Các đặc tính

Động cơ Servo

Động cơ bƣớc

Mơ men cao, tốc

Có thể đƣợc xem xét nếu giá

Các ứng dụng có chu kỳ cơng tác liên

độ thấp

thành/tính phức tạp khơng phải là

tục địi hỏi mơ men cao và tốc độ

một vấn đề.

thấp.

Mơ men cao và

Các ứng dụng có chu kỳ cơng tác liên

Nếu tốc độ thấp hơn 2000 rpm thì sử

tốc độ cao

tục địi hỏi mơ men cao và tốc độ

dụng động cơ bƣớc có thể kinh tế

(> 2000 rpm)

cao. Một động cơ servo DC có thể

hơn. Các động cơ bƣớc trở nên cồng

tạo ra công suất trục liên tục lớn hơn

kềnh ở tốc độ cao.

chuyển động

ở các tốc độ cao khi đƣợc so sánh với
các động cơ bƣớc.
Di chuyển ngắn,

Sử dụng servo nếu bạn cần các yêu

Động cơ bƣớc sẽ mang đến giải pháp

nhanh, có tính lặp

cầu động cao.

kinh tế hơn khi các u cầu bình
thƣờng hơn.

lại
Các ứng dụng

Servo có thể điều khiển hiệu quả khi

Sử dụng động cơ bƣớc nếu mơ men

định vị

tải hầu nhƣ có qn tính thay vì ma

thấp hơn 500 oz-in, nhỏ hơn 2000

sát. Khả năng kéo quá sức động cơ

rpm, tỉ số gia tốc từ thấp đến trung

servo trong chu kỳ cơng tác khơng

bình.

liên tục cho phép một động cơ nhỏ
hơn có thể đƣợc sử dụng.
Các ứng dụng

Sử dụng động cơ servo không chổi

trong các môi

than.

Sử dụng động cơ bƣớc.

trƣờng nguy hiểm
Tốc độ thấp, độ

Sử dụng servo DC.

Sử dụng vi bƣớc.

Vịng kín.

Đƣợc ƣa chuộng sử dụng trong các

mịn cao
Phƣơng pháp
điều khiển

ứng dụng vòng hở.
Bảng 1. 2: So sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo

10


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

1.4.

Trần Văn Hƣng

Sử dụng động cơ bƣớc

1.4.1. Thủ tục lựa chọn động cơ bƣớc
1

Xác định thành phần cơ cấu lái

Trƣớc hết hãy xác định các đặc

Xác định cơ cấu và các thông số kỹ thuật địi hỏi.

điểm thiết kế nhƣ cơ cấu,
đƣờng kính thơ, khoảng cách di
chuyển, và chu kỳ định vị.

2

Tính tốn độ phân giải đòi hỏi

Từ độ phân giải đòi hỏi, xác

Tìm kiếm độ phân giải góc bƣớc cho động cơ.

định chỉ động cơ đƣợc dùng
hay động cơ giảm tốc đƣợc
dùng.

3

4

Xác định mẫu vận hành

Tìm chu kỳ gia tốc (giảm tốc)

Xác định mẫu vận hành đáp ứng các thông số kỹ thuật địi

và tốc độ xung vận hành để tính

hỏi.

tốn mơ men gia tốc.

Tính tốn mơ men địi hỏi

Tính tốn mơ men tải, mơ men

Tính tốn mơ men tải.

gia tốc và mơ men địi hỏi đƣợc

Tính tốn mơ men gia tốc.

u cầu bởi động cơ.

Tính tốn mơ men giảm tốc.
5

Lựa chọn động cơ

Chọn lựa một động cơ mà các

Đƣa ra một lựa chọn tạm thời cho động cơ dựa trên mô

đặc tính mơ men-tốc độ của nó

men địi hỏi.

thỏa mãn u cầu.

Xác định động cơ cần đƣợc sử dụng từ các đặc tính mơ
men-tốc độ.
6

Kiểm tra động cơ đƣợc chọn

Kiểm tra tỉ số gia tốc/giảm tốc

Xác nhận tỉ số gia tốc/giảm tốc và hệ số quán tính.

và hệ số quán tính để xác định
khả năng phù hợp với sự lựa
chọn.

Bảng 1. 3: Thủ tục chọn động cơ bước

1.4.2. Nhận dạng động cơ bƣớc
May mắn là các nhà chế tạo động cơ bƣớc hầu nhƣ ln ln in loại, góc bƣớc,
điện trở cuộn dây và điện áp cuộn dây trên các động cơ.

11


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 1. 11: Một mẫu nhãn của hãng Vexta.

Khi các thông tin này khơng có sẵn thì vẫn có thể xác định đƣợc chúng nhờ vào
sự trợ giúp của một VOM và một vài kiểm tra cơ bản.
 Xác định loại động cơ bƣớc đơn cực, lƣỡng cực hay đa năng.
Phần lớn động cơ bƣớc trên thị trƣờng thuộc loại đơn cực, lƣỡng cực, và đa
năng. Dựa trên giả định này, bƣớc thứ nhất là có thể đƣa ra đƣợc ƣớc đoán đầu tiên về
loại động cơ bằng cách đếm các đầu dây ra.
Số đầu dây ra

Loại động cơ

2

Động cơ DC chổi than – Không phải động cơ bƣớc

4

Động cơ bƣớc lƣỡng cực

5

Động cơ bƣớc đơn cực – Dây chung điểm giữa

6

Động cơ bƣớc đơn cực

8

Động cơ bƣớc đa năng
Bảng 1. 4: Quan hệ giữa số đầu dây ra và loại động cơ

12


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Hình 1. 12: Mô phỏng cách đấu dây bên trong các động cơ bước.

Bƣớc cuối cùng là sử dụng một ohm kế để xác định sự kết nối của mỗi đầu dây
ra và kiểm nghiệm ƣớc đoán loại động cơ ban đầu.
 Động cơ lƣỡng cực là đơn giản nhất, chỉ cần kiểm nghiệm những dây nào nối
đến mỗi cuộn.
 Đối với loại đơn cực, điện trở đầu V+ đến đầu chung và đầu V- đến đầu chung
là bằng nhau và bằng một nửa điện trở giữa V+ và V-.
 Xác định thứ tự các pha.
Kết nối các đầu dây của động cơ bƣớc với nguồn áp theo một mẫu trình tự điều
khiển nhất định, đồng thời quan sát hƣớng quay trục của động cơ. Nếu hƣớng trục
quay thực hiện liên tục là các pha đã đúng thứ tự.
 Xác định loại động cơ bƣớc từ trở biến thiên, nam châm vĩnh cửu,
lai.
Không cần phải xem nhãn ghi trên động cơ, vẫn có thể nói đƣợc động cơ bƣớc
đang dùng thuộc loại nào. Khi không cấp nguồn, các động cơ nam châm vĩnh cửu và
lai có khuynh hƣớng “vấu lại” khi quay rơto bằng các ngón tay của, trong khi các
động cơ từ trở biến thiên hầu nhƣ quay tròn một cách tự do (mặc dù chúng có thể vấu
lại một chút do từ dƣ trong rôto).

13


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Cũng có thể phân biệt hai dạng động cơ này bằng một ohm kế. Các động cơ từ
trở biến thiên có ba (đôi khi bốn) cuộn dây, với một đầu chung, trong khi các động cơ
nam châm vĩnh cửu thƣờng có hai cuộn độc lập, có hoặc khơng có các đầu chung.
Cuộn lấy đầu chung điểm giữa đƣợc sử dụng trong các động cơ nam châm vĩnh cửu
đơn cực.
1.4.3. Xác đinh đầu dây ra của động cơ bƣớc 6 dây.

Hình 1. 13: động cơ bước 6 dây

 Bƣớc 1: Đo thông mạch để xác định 3 đầu dây trên cùng 1 cuộn dây.
Bƣớc này ta xác định đƣợc 2 nhóm, mỗi nhóm có 3 dây.
 Bƣớc 2: xác định các đầu dây chung.
Điện trở đo đƣợc từ 2 đầu dây sẽ gần gấp đôi điện trở từ dây chung đến mỗi đầu
dây.
Ví dụ: điện trở từ 2 đầu dây ở đây là 8.3 . Điện trở từ dây chung đến mỗi đầu
dây ở đây là 4.8

Hình 1. 14: Xác đinh dây chung.

14

Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

Lặp lại tiến trình cho đến khi xác định đƣợc 2 dây chung.
 Bƣớc 3: xác định thứ tự các dây.
Dùng nguồn điện 1 chiều (pin, adapter sạc điện thoại, …) khoảng 3-5 V-DC,
đặt 2 đầu dây nguồn cấp vào là A và B. Đầu A nối với hai dây chung, đầu B nối với
một trong bốn dây cịn lại, ví dụ ta nối với dây đỏ (đánh dấu số 2). Dùng dầu dây số 2
(Đã nối với dây đỏ chạm nhẹ vào 3 dây còn lại, quan sát động cơ bƣớc ta sẽ thấy:
-

Có 1 dây khi ta chạm nhé sẽ làm trục quay tới nữa bƣớc (theo chiều kim
đồng hồ) thì đánh dấu số 1 (ví dụ là dây màu đen).

-

Có 1 dây khi ta chạm nhé sẽ làm trục quay lùi 1 bƣớc (ngƣợc chiều kim
đồng hồ) thì đánh dấu số 3 (ví dụ là dây xanh lục).

-

Có 1 dây khi chạm thì trục đứng yên, đánh dấu số 4 (ví dụ là dây xanh
dƣơng).

Cuối cùng ta xác định đƣợc thứ tự dây nhƣ sau:
Dây chung (0), dây màu đen (1), dây màu đỏ (2), dây màu xanh lục (3), dây
màu xanh dƣơng (4).
1.5.

Điều khiển động cơ bƣớc

1.5.1. Nguyên lý điều khiển
Để biết một động cơ bƣớc làm việc nhƣ thế nào, ta xem xét một động cơ bƣớc
đơn giản gồm có:
Một rotor nam châm vĩnh cửu có một cực Bắc – Nam (N-S). Một stator bốn
răng đƣợc lái bởi một cặp hai cuộn dây A1-A2 và B1-B2. Khi A1-A2 (và B1-B2) đƣợc
nối đến điện áp cung cấp DC và mass, một cách tƣơng ứng, răng phía trên đỉnh (và
răng phía bên phải) trở thành cực Bắc và răng đối diện trở thành cực Nam. 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 mass, rotor tiến một góc 90o đến vị trí mới ổn định ở -45o. Điều này có
nghĩa rằng nó có góc bƣớc là 90o. Một động cơ bƣớc có thể đƣợc điều khiển theo trình
tự kiểu đủ bƣớc hoặc nửa bƣớc. Với góc bƣớc 90o, một trình tự bốn bƣớc sẽ liên tiếp
sẽ làm động cơ quay đƣợc một vịng. Khi trình tự bƣớc đƣợc lặp lại, động cơ sẽ quay
tiếp tục. Nếu trình tự bƣớc bị đảo ngƣợc, hƣớng động cơ cũng bị đảo theo. Số lƣợng

15


Báo cáo chi tiết đề tài khoa học

Trần Văn Hƣng

các bƣớc trình tự và mẫu chuyển mạch sẽ thay đổi theo cấu tạo và nhà sản xuất động
cơ.
 Dƣới đây là các kiểu lái động cơ bƣớc phổ biến nhất:
-

Lái gợn sóng (cấp điện 1 pha)

-

Lái đủ bƣớc (cấp điện 2 pha)

-

Lái nửa bƣớc (cấp điện 1 pha và 2 pha)

-

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

.
Hình 1. 15: Trình tự kích thích cho các kiểu lái khác nhau

a.

Điều khiển gợn sóng
Mỗi lần chỉ một cuộn dây đƣợc cấp năng lƣợng. Stator đƣợc cấp năng lƣợng

theo trình tự A  B  A  B và rotor bƣớc từ vị trí 8  2  4  6 . Đối với các động
cơ quấn dây đơn cực và lƣỡng cực với các tham số cuộn dây nhƣ nhau thì kiểu kích
thích này sẽ sinh ra một vị trí cơ khí nhƣ nhau. Nhƣợc điểm của kiểu lái này là trong
kiểu lái này động cơ quấn dây đơn cực chỉ sử dụng có 25% và động cơ lƣỡng 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.
b.

Điều khiển đủ bƣớc

Mỗi lần hai pha đƣợc cấp năng lƣợng cùng lúc. Stator đƣợc cấp năng lƣợng

theo trình tự AB  AB  AB  AB và rotor bƣớc từ các vị trí 1  3  5  7 . Mô
men tạo ra từ động cơ quấn dây đơn cực thấp hơn động cơ lƣỡng cực (xét các động cơ
16