Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí ứng dụng trong máy CNC

ĐẶT VẤN ĐỀ Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong nhiều thành tựu mới(kỹ thuật điện tử,kỹ thuật số…)đã được áp dụng vào lĩnh vực công nghiệp hoá,quá trình tự động hoá với các máy công cụ ngày càng phát triển.việc tăng năng suất giảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với các hệ truyền động điện và tự động hóa,nhưng chúng có sự mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi hệ thống phức tạp, một bên lại yêu câu hạn chế số lượng thiết bị trên máy.Việc lựa chọn một hệ thích hợp là một bài toán khó. CNC(Computerized numerical control) là loại máy công cụ phổ biến và chủ chốt trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí hiện nay,dùng để gia công các chi tiết cơ khí với độ chính xác và năng suất rất cao. Với độ chính xác rất cao của việc điều khiển và giám sát vị trí của các thành phần thực hiện chức năng (cơ cấu chấp hành) là hết sức quan trọng, do vậy cần phải xây dựng một bộ điều khiển vị trí. Vì những lý do trên và sự giới thiệu của giáo viên mà em đã chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển vị trí ứng dụng trong máy CNC. Trong quá trình làm Đồ án tốt nghiệp, vì trình độ và sự hiểu biết còn hạn chế nên nhất định không tránh khỏi những sự thiếu sót, em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo.

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY NC VÀ CNC 3

1.1 Các khái niệm về hệ thống CNC 3

1.1.1 Khái niệm về điều khiển số 3

1.1.2 Ưu điểm nổi bật của máy CNC 5

1.1.3 Các điểm gốc(điểm 0) 6

1.1.4 Các dạng điều khiển 6

1.2 Hệ thống đo lường trong điều khiển CNC 7

1.2.1 Thiết bị đo tốc độ 8

1.2.2 Thiết bị đo vị trí 8

1.2.3 Các phương pháp đo trên máy 9

1.3 Mục tiêu của đồ án 11

1.3.1 Mục tiêu 11

1.3.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống 11

CHƯƠNG II LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG 12

2.1 Lựa chọn bộ điều khiển 12

2.1.1 Giới thiệu một số phương án 12

2.1.2 Giới thiệu về máy tính và khả năng ghép nối của máy tính 12

2.1.3 Giới thiệu về AVR ATMEGA16 13

2.2 Lựa chọn truyền động của các trục 29

2.2.1 Động cơ bước 29

2.2.2 Động cơ điện một chiều 49

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 53

3.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 53

3.1.1 Phần thiết bị ĐK trung tâm 54

3.1.2 Phần thiết bị chấp hành 54

3.1.3 Giới thiệu về MAX232 54

3.1.4 Giới thiệu về L298: 55

3.1.5 Kết luận 59

3.1.6 Sơ đồ mạch nguyên lý 59

3.2 Thiết kế giao diện điều khiển từ trên PC 63

3.3 Khảo sát vòng điều khiển ổn định tốc độ động cơ khoan 66

3.3.1 Khái niệm 66

3.3.2 Mô hình hệ thống điều khiển dùng PID 66

3.3.3 Xây dựng bộ PID 67

CHƯƠNG4: THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 74

4.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển: 74

4.3.Chạy thử mô hình 77

4.3 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong nhiều thành tựu mới(kỹthuật điện tử,kỹ thuật số…)đã được áp dụng vào lĩnh vực công nghiệp hoá,quátrình tự động hoá với các máy công cụ ngày càng phát triển.việc tăng năng suấtgiảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với các hệtruyền động điện và tự động hóa,nhưng chúng có sự mâu thuẫn nhau Một bênđòi hỏi hệ thống phức tạp, một bên lại yêu câu hạn chế số lượng thiết bị trênmáy.Việc lựa chọn một hệ thích hợp là một bài toán khó

CNC(Computerized numerical control) là loại máy công cụ phổ biến và chủchốt trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí hiện nay,dùng để gia công các chitiết cơ khí với độ chính xác và năng suất rất cao

Với độ chính xác rất cao của việc điều khiển và giám sát vị trí của các thànhphần thực hiện chức năng (cơ cấu chấp hành) là hết sức quan trọng, do vậy cầnphải xây dựng một bộ điều khiển vị trí

Vì những lý do trên và sự giới thiệu của giáo viên mà em đã chọn đề tàithiết kế hệ thống điều khiển vị trí ứng dụng trong máy CNC

Trong quá trình làm Đồ án tốt nghiệp, vì trình độ và sự hiểu biết còn hạnchế nên nhất định không tránh khỏi những sự thiếu sót, em rất mong được sựchỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY NC VÀ CNC

Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong nhiều thành tựu mới(kỹthuật điện tử,kỹ thuật số…)đã được áp dụng vào lĩnh vực công nghiệp hoá,quátrình tự động hoá với các máy công cụ ngày càng phát triển.việc tăng năng suấtgiảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với các hệtruyền động điện và tự động hóa,nhưng chúng có sự mâu thuẫn nhau.một bênđòi hỏi hệ thống phức tạp, một bên lại yêu câu hạn chế số lượng thiết bị trênmáy.Việc lựa chọn một hệ thích hợp là một bài toán khó

CNC(Computerized numerical control) là loại máy công cụ phổ biến vàchủ chốt trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí hiện nay,dùng để gia công cácchi tiết cơ khí với độ chính xác và năng suất rất cao

1.1 Các khái niệm về hệ thống CNC

1.1.1 Khái niệm về điều khiển số

Ở các máy thông thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổivận tốc của các bộ phận máy được thực hiện chủ yếu bằng tay, do đó thời gianlãng phí lớn, năng suất thấp.Để giải quyết vấn đề đó cần phải tự động hoá quátrình điều khiển.Trong sản xuất với khối lượng lớn ,các chi tiết của sản phẩmgiống nhau từ lâu đã đưa những quá trình tự động hoá vào quá trình điềukhiển.Những máy thuộc loại này có ưu điểm là rút ngắn thời gian phụ nhưngthời gian chuẩn bị trước sản xuất lại quá dài(thời gian thiết kế ,chế tạo ,thời gian

điều chỉnh máy…).Nếu sản xuất với số lượng lớn thì thời gian này là khôngđáng kể,tuy nhiên nếu lượng hàng sản xuất là nhỏ ,các chi tiết khác nhau nhiềuthì đây sẽ là một vấn đề lớn.Do vậy cần tìm ra phương pháp điều khiểnmới ,đảm bảo thời gian điều chỉnh máy gia công từ chi tiết này sang chi tiếtkhác được nhanh chóng.Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển theochương trình.

Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệuđiều khiển đuợc thay đổi theo một quy luật cho trước.Nói cách khác,trên cácmáy điều khiển theo chương trình thì thứ tự, giá trị của các chuyển động cũngnhư thứ tự đóng mở của các bộ phận trong máy, đóng mở thống làm nguội, bôitrơn,thay dao đều được thực hiện theo một chương trình đã lập sẵn.các thiết bịchứa chương trình được đặt vào một khối gọi là khối điều khiển, và khối này sẽđiều khiển các thiết bị chấp hành hoạt động một cách tự động.Nếu các chươngtrình được biểu thị bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu thì ta gọi đó là hệ điềukhiển theo chương trình số

Như vậy điều khiển số NC là hệ thống điều khiển đặc trưng bởi các đại lượng đầu vào là nhưng tín hiệu số nhị phân,chúng được đưa vào hệ thống dưới dạng một chương trình điều khiển có hệ thống, khi đó máy sẽ tự động làm cho một cơ cấu di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác bằng một hoặc nhiều lệnh.Sự dịch chuyển có thể là theo một quỹ đạo thẳng hoặc theo góc di chuyển với nhiều bậc tự do.

Trong nhiều trường hợp ,phương pháp điều khiển theo chương trình sốđược thiết kế tự động hoá với việc di chuyển một cơ cấu từ vị trí này đến vị tríkhác, ta gọi đó là điều khiển theo điểm, tuy nhiên ta có thể rút ngắn vô thời hạnkhoảng cách giữa các điểm di chuyển gần nhau và khi ấy ta sẽ có quá trình điều

Phương pháp điều khiển theo chương trình số có thể dùng di chuyển bất cứmột cơ cấu nào sử dụng truyền động điện Phạm vi sử dụng của nó rấtrộng ,nhưng chủ yếu vẫn là tự động hoá các máy công cụ Vì các chương trình

số có thể tiến hành cách xa may nhờ hệ thống truyền thông, và bản thân cácmáy cũng có hệ thống đo lường riêng, do vậy hệ thống điều khiển này có thểđiều khiển một cách dễ dàng và nhanh chóng

Ngày nay máy NC được phát triển lên thành máy CNC Đặc điểm nổi bậtcủa máy CNC so voi NC là nó có cơ cấu tự động cho phép thực hiện nhiềunguyên công khác nhau sau một lần kẹp chi tiết (giảm thiểu thời gian gia công)dưới sự hỗ trợ của máy tính điện tử

1.1.2 Ưu điểm nổi bật của máy CNC

- So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, kết quả làm việc của mayCNC không phụ thuộc nhiều vào tay nghề thuần thục của người điềnkhiển.Người điều khiển chỉ đóng vai trò theo dõi kiểm tra các chức năng hoạtđộng của máy

- So với các máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (dùg cam,trục gài bi…), máy CNC có tính linh hoạt cao trong công việc lập trình đặc biệt

có sự giúp đỡ của máy tính, do vậy tiết kiệm hơn về thời gian hiệu chỉnh máyđạt được tính kinh tế cao ngay ca với sản phẩm nhỏ

- Ưu điểm chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc với thốngthông tin xử lý” điện tử số hoá “,cho phép phối ghép các hệ thống xử lý sốtrong phạm vi toàn xí nghiệp ,tạo điều kiện mở rộng tự động hoá toàn bộ quátrình sản xuất,ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại toàn bộ quá trình sản xuất,ứng dụng quản lý thông qua mạng LAN(mang cục bộ) hay WAN ( mạng liênthông toàn cầu)

1.1.3 Các điểm gốc(điểm 0)

a Điểm 0 của máy

-Các điểm 0 của máy là điểm gốc của các hệ thống toạ độ máy và do nơichế tạo máy đó xác định theo kết cấu động học của máy

-Trên các máy phay ,điểm 0 của máy thường nằm tại điểm giới hạn dịchchuyển của bàn máy

b Điểm 0 của chi tiết

-Điểm 0 của chi tiết là gốc của hệ thống toạ độ gắn lên chi tiết.Vị trí cuađiểm này do người lập trình lựa chọn và xác định.Song người lập trình tự cầnphải xác định sao cho các kích thước trên bản vẽ gia công trực tiếp là các giá trịtoạ độ của hệ thống toạ độ

-Nếu hệ thống toạ độ của chi tiết và hệ thống toạ độ máy khác loại thì cáctoạ độ của chi tiết phải chuyển sang toạ độ của máy

c Điểm 0 của chương trình

- Điểm 0 của chương trình là điểm mà dụng cụ sẽ ở đó trước khi giacông.Để hợp lý ,điểm 0 của chương trình được chọn sao cho chi tiết gia cônghoặc dụng cụ có thể thay đổi một cách dễ dàng

1.1.4 Các dạng điều khiển

a Điều khiển theo điểm

- Điều khiển theo điểm được ứng dụng khi gia công theo các toa độ xácđịnh đơn giản Dụng cụ sẽ thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã được lậptrình ,trong hành trình này dao không cắt vào chi tiết.Chỉ khi đạt đến cac điẻmđích quá trình gia công mới được thực hiện theo lượng chạy dao đã lập trình

- Tuỳ theo dạng điều khiển ,các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau hoặc

giữa các trục.Khi các trục có chuyển động đồng thời ,hướng của chuyển độngtạo thành góc 45 độ.Khi 1 trong 2 toạ độ đã đạt được thì trục thứ 2 sẽ được kéođến điểm đích.

- Điều khiển theo điểm được ứng dụng trên các máy khoan toạ độ và trêncác thiết bị hàn điểm

b Điều khiển theo đường

- Điều khiển theo đường tạo ra các đường chạy song song với các trục củamáy.Trong khi chạy dao gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công

- Trong các điều khiển đường mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc

độ như nhau ,đồng thời ta có thể gia công với bề mặt côn có góc 45độ Pham viứng dụng của điều khiển đường bị thu hẹp trên máy phay và máy tiện

c Điều khiển theo đường viền

Bằng điều khiển theo đường viền ta có thể tạo ra các đường viền hoặcđường thẳng tuỳ ý trong một mặt phẳng hay trong không gian.Điều này đạtđược nhờ sự chuyển động đồng thời của các bàn trượt máy theo 2 hoặc nhiềutrục vầ giũă các trục này có mối quan hệ hàm số

Tuỳ theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển đườngviền được chia thành: Điều khiển 2D,điều khiển 2,1/2D,điều khiển 3D và điềukhiển có nhiều hơn 3trục điều khiển đồng thời

1.2 Hệ thống đo lường trong điều khiển CNC

Mỗi trục truyền động của một máy CNC bao giờ cũng có hai thiết bị đolường,đó là thiết bị đo tốc độ của động cơ và thiết bị đo vị trí của dịch chuyển

1.2.1 Thiết bị đo tốc độ

Thiết bị này dùng đo tốc độ thực của động cơ và truyền tín hiệu phản hồitôc độ về bộ điều chỉnh tốc độ,tín hiệu này được so sánh với tốc độ đặt củađộng cơ sau đó đưa về bộ điều chỉnh tốc độ.Để đo tốc độ của động cơ thôngthường người ta dùng thiết bị máy phát tốc hoăc encoder gắn trưc tiếp với trụcđộng cơ

1.2.2 Thiết bị đo vị trí

Các trục của máy được trang bị thiết bị đo vị trí để xác định toạ độ của bànmáy và dao Khi trục máy di chuyển thì các thiết bị đo se phát ra một tín hiệuđiện ,bộ điệu khiển sẽ xử lý tín hiệu này và xác định chính xác vị trí của cáctrục máy.Dữ liệu cầc xác định ở đây là đoạn đường trong các chuyển đôngthẳng và góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ.Tín hiệu ra củathiết bị này được so sánh với giá trị toạ độ đặt ,sau đó được đưa vào bộ bộ điềuchỉnh vị trí.Trên các dụng cụ đo vị trí còn trang bị một vài điểm chuẩn mục đich

là để thiết lập lại gốc toạ độ của các trục mỗi khi khởi động máy.Khi khởi độngcác trục ,toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn nó sẽ phát ra tín hiệuxác định toạ độ gốc của trục và hiên thị toạ độ thực

a Phương pháp cảm biến

Đo lường vị trí được chia thành 2 loại: dịch vị thẳng và dịch vị góc.Dịch vịthẳng được đo lường trên đơn vị chiều dài còn dịch vị góc được đo trên đơn vịradian hay độ

Cảm biến vị trí được sử dụng để xác định vị trí ,đo lường bề dày đườngkính của một vật,vị trí của vật đang di chuyển ,xác định sự tồn tại của một vật.Cảm biến vị trí có một trục có quan hệ cơ khí với đối tượng đo.Để đo lường,

phẩm chất đo lường Ví dụ : vị trí hiện tại cảu trục cảm biến có thể gây ra sựthay đổi điện dung tụ điện ,tự cảm của cuộn dây ,hỗ cảm của hai cuộn dây gây

từ đó xác định được vị trí của đối tượng Ngoài ra trục của cảm biến có thể ghépvới encoder một thiết bị chuyển đổi tín hiệu hiện tại thành tín hiệu số

Đặc biệt có một số loại cảm biến không cần tiếp xúc với đối tượng đolường, nó sử dụng sự thay đổi hệ số hỗ cảm điện dung, điện trở để đo lường

b Cảm biến vị trí dùng triết áp

Cảm biến chứa đựng một biến trở và một contact trượt có thể di chuyển từđầu này đến đầu kia của điện trở Cảm biến triết áp đo lường cả dịch chuyểnthẳng và dịch chuyển góc.Trên hình:hai đầu dây biến trở được cung cấp mộtđiên áp chuẩn Es.Điện áp Eout của contact trượt có quan hệ trực tiếp với hằng sốđiện áp chuẩn Es

- Triết áp dịch vị thẳng: Eout= X*Es/L (1.1)

- Triết áp dịch vị góc : Eout=Ө*Es/ӨL (1.2)

1.2.3 Các phương pháp đo trên máy

a Đo vị trí bằng đại lượng tương tự

Đoạn đường hay góc cần đo được dịch chuyển liên tục thành đại lượng điệnnhư dòng điện hay điện áp

b Đo vị trí bằng đại lượng số:

Đoạn đường hay góc can đo được chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớnnhư nhau Quá trình đó là do chính sự cộng dồn các yếu tố đơn vị đã qua hoặcnhờ sự nhận biết các dấu hiệu riêng

c Đo vị trí trực tiếp:

Là phương pháp đo giám sát các vị trí cần đo,hay biến đổi các vị trí khôngcần đến các dẫn động cơ khí trung gian.Phương pháp này có độ chính xác khá

cao vì giữa các đại lượng cần đo và dụng cụ đo không có các lỗi cơ khí(khe hở,các biến dạng dẻo).

d Đo gián tiếp:

Trong phương pháp đo này thay cho các biến đổi vị trí tịnh tiến cân đo mộtchuyển động quay tương ứng sẽ được đo.Chuyển động quay gắn liền vớichuyển động tịnh tiến ở đây là chuyển động quay của vít me chạy dao.Một cáchkhác là chuyển đổi chuyển động chạy dao thẳng thành chuyển động quay nhờ

bộ truyền thanh răng bánh răng Lỗi mắc phải do sai lệch bước vít me, độ ănkhớp khi đảo chiều chiều khay khe hở ăn khớp giữa hai bánh răng trong bộthanh răng bánh răng được đưa trực tiếp vào lỗi của phép đo lỗi này phải nằmtrong giới hạn cho phép

e Phương pháp đo vị trí tuyệt đối

Trong phương pháp đo này mỗi giá trị đo đều được so sánh với điểm 0 củathước đo và có dấu hiệu riêng với các số đo tuyệt đối ta đưa ra toạ độ các điểmđích tính từ một điểm trong vùng làm việc tức luôn luôn so sánh với điểm 0

f Phương pháp đo vị trí kiểu gia số:

Toàn bộ phạm vi dịch chuyển đươc chia thành các bước tăng không có dấuhiệu riêng có độ lớn như nhau.Vị trí thật là tổng các bước đã đi qua các gia sốvượt qua phải được cộng với nhau hoặc trừ đi tuỳ theo chiều chuyển động.Phương pháp điều khiển :độ dài 3 trục X,Y,Z hoàn toàn xác định trước 6công tắc hành trình gắn trên 3 trục ta sẽ tính được số bước mà động cơ bướcphảo quay để cho mặt bàn máy chạy từ công tắc hành trình đầu đến công tắchành trình cuối ta có thể điều khiển tốc độ và độ dài của bàn máy

Khi khoan thì trục X và truc Y sẽ dịch chuyển theo phương x và y còntrụcZ sẽ di chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng để xac định độ dày của

cơ một chiều sẽ quay để khoan,sau khi khoan xong thì đông cơ một chiều dừng

và động cơ truc Z sẽ rút lên

1.3 Mục tiêu của đồ án

1.3.1 Mục tiêu

Trong phạm vi của một đề tài tốt nghiệp,đề tài này xây dựng mô hình máyCNC loại nhỏ để phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu

1.3.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Truyền động trục Y

Truyền động

DC 1 chiều

Hệ đo lường

CHƯƠNG II LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG

2.1 Lựa chọn bộ điều khiển

2.1.1 Giới thiệu một số phương án

Để giải quyết vấn đề này chúng ta co nhiều công cụ như sử dung máytính,PLC, vi điều khiển,máy tính –PLC,máy tính-vi điều khiển.Ở đây tôi chọngiải pháp là máy tính-vi điều khiển vì nó có các ưu điểm như:

-Vi xử lý đóng vai trò thiết bị chấp hành

2.1.2 Giới thiệu về máy tính và khả năng ghép nối của máy tính

Trải qua thời gian dài từ phát minh đấu tiên ra máy tính cho đến nay máytính đang không ngừng nâng cao và phát triển qua nhiều thế hệ,các máy tínhhiện nay đều có nguồn gôc hầu hết có nguồn gốc từ họ PC (PersonalCompurter) đầu tiên là kiểu máy PCXT do hãng IBM sản xuất với bộ vi xử lý

8088 của intel.Đây là hệ thống 16bit nhưng dùng bú dữ liệu 8 bit

Tiếp theo là máy AT ra đời với bộ vi xử lý 80286 có tính năng hơn hẳn loạiPCXT.Nó có khẳ năng tạo bộ nhớ ảo , đa nhiệm vụ ,tốc độ nhanh ,độ tin cậycao và dùng bus dữ liêụ 16 bit

Ngày nay các máy tính AT 386,486,pentium dùng chip CPU lần lượt là80836,80846,P5 là kết quả của sự phát triển công nghệ.

Về khả năng ghép nối của máy tính :máy tính được trang bị thêm các điềukiện để ghép nối với các thiết bị ngoại khác làm cho máy tính trở nên rất đanăng

Việc ghép nối máy tính có thể thực hiện thông qua các thanh cắm mởrộng(Slot Card),cổng song song (cổng Print),cổng nối tiếp(Serial pord)

2.1.3 Giới thiệu về AVR ATMEGA16

AVR là họ vi điều khiển khá mới trên thị trường cũng như đối với người

sử dụng Đây là họ vi điều khiển được chế tạo dựa trên kiến trúc RISC(Reduced Instruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp Ngoài các tínhnăng như các họ vi điểu khiển khác , AVR còn tích hợp thêm nhiều tính năngmới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình

Sự ra đời của AVR được bắt nguồn từ nhu cầu của thực tế là hầu hết khicần lập trình cho vi điều khiển, chúng ta thường dùng các ngôn ngữ bậc caoHLL (High Lever Language) để lập trình ngay cả đối với vi xử lý 8 bits, trong

đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất Tuy nhiên khi biên dịch thì kíchthước đoạn mã sẽ tăng lên rất nhiều so với dùng Assembly Hãng ATMEL nhậnthấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để làm giảmthiểu sự chênh lệch kích thước mã nói trên Và kết quả là vi điều khiển AVR rađời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và thêm vào đó là thựchiện lệnh đúng hơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích luỹ Không những thế tốc

dộ xử lý của nó còn nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần Vì thếnghiên cứu ứng dụng AVR trong thực tế là một mảng rất thú vị và đồng thời nó

cũng giúp cho sinh viên biết thêm được một họ vi điều khiển vào loại mạnhnhất hiện nay.

a Đặc trưng của Chip vi điều khiển AVR.

Chip vi điều khiển AVR RISC của ATMEL có các đặc trưng sau :

+ Cấu trúc của RISC tiên tiến với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định,truy nhập bộ nhớ nạp lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng

+ Kiến trúc đường ống lệnh kiểu hai tầng cho phép làm tăng tốc độ thựcthi lệnh

+ Có chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên Chip, bao gồm cổng I/O số,

bộ biến đổi ADC, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ điều chế độ rộngxung PWM Đặc điểm này là nổi bật so với các bộ vi điều khiển khác Trêncác vi điều khiển AVR đã tích hợp sẵn :

- 48 đường dẫn vào/ra I/O lập trình được

- Hai bộ truyền nhận UART lập trình được

- Một giao diện ISP đồng bộ

- Một giao diện TWI đồng bộ và tương thích I2C

- Bộ Timer/Counter 8bit

- Một bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu

- Bốn lối ra điều chế độ rộng xung PWM

- Một đồng hồ thời gian thực

- Một bộ biến đổi ADC 10 bit có đến 8 kênh lối vào

+ Bộ nhớ chương trình và dữ liệu được tích hợp ngay trên Chip Có bacông nghệ nhớ khác nhau :

- EPROM xoá được bằng kiểu Flash

- EEPROM xoá được bằng điện

- Bộ nhớ RAM tĩnh (SRAM) dùng cho các biến nội dung của bộ nhớ sẽmất khi tắt điện áp nguồn

+ Khả năng lập trình được trong hệ thống, cổng giao tiếp RS 232 và SPIcho phép dễ dàng thực hiện các thao tác lập trình trên hệ thống

+ Được đóng vỏ 8 chân đến 64 chân để thích ứng với nhiều loại ứng dụngkhác nhau Loại MEGA – AVR 40 chân 2 hàng là bước đột phá chưa có đối thủcạnh tranh về khả năng xử lý (16 bit) và giá thành

+ Có tốc độ xử lý lớn hơn đến 12 lần so với các vi điều khiển CISC thôngthường

+ Hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao C

+ Các vi điều khiển AVR đang lưu hành trên thị trường được chế tạo bằngcông nghệ CMOS 0.6

+ Điện áp làm việc cho phép thay đổi trong khoảng rộng từ 2.7 ÷ 6.0 V+ Kiến trúc đơn giản hợp lý cho phép người dùng dễ sử dụng.

+ Tập lệnh của AVR có đến 133 lệnh cho phép lập trình dễ dàng, ngoài racòn cho phép lập trình bằng ngôn ngữ C

a Đặc tính chung của AVR Atmega 16.

Hình 2.1: Sơ đồ chân của Atmega 16

Trong phạm vi đồ án này ta sử dụng Atmega 16 dạng PIDP 40 chân, chialàm hai hàng cắm

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của AVR Atmega

+Được chế tạo theo kiến trúc RISC , do đó hiệu suất làm việc cao và điệnnăng tiêu thụ thấp.

+ Bộ lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều được thực thi chỉ trong một chu kỳxung nhịp

+ 32x8 thanh ghi làm việc đa dụng

+ 16 KB FlashROM lập trình ngay được trên hệ thống :

-Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình ngay trên hệ thống

+ Bốn kênh điều chế độ rộng xung PWM

+ Hỗ trợ bộ truyền nhận UART lập trình được

+ Hỗ trợ giao diện truyền thông SPI chủ/tớ

+ Bộ định thời Watchdog cho phép lập trình được và tự động reset khi treomáy

+ Bộ so sánh tương tự.

+ Năm chế độ ngủ: chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện ( Power - Save), chế

độ Power – Down , chế độ giảm nhiễu ADC ( ADC noise reduction), chế độchờ ( Standby)

c Cấu trúc thành phần của AVR Atmega 16.

* Một số thanh ghi quan trọng

-Thanh ghi dữ liệu ( Data register)

+ Các thanh ghi dữ liệu gồm có PORTA, PORTB, PORTC, PORTD cóchức năng đọc ghi dữ liệu

+ Giá trị khởi tạo sau khi Reset là 0x00

+ Ban đầu nếu được khởi tạo là cổng ra thì khi ghi dữ liệu vào sẽ làm thayđổi giá trị logic của các chân hay làm thay đổi chức năng của cổng

Hinh 2.3:Các thanh ghi điều khiển

+ Các thanh ghi dữ liệu PORTA, PORTB, PORTC và PORTD đều gồm có

8 bit từ PA0÷PA7, PB0 ÷ PB7, PC0 ÷ PC7và PD0 ÷ PD7

- Thanh ghi hướng dữ liệu ( Data direction)

+ Gồm có các thanh ghi : DDRA, DDRB, DDRC, DDRD

+ Có chức năng xác định hướng dữ liệu truyền cho các thanh ghi PORTA,PORTB, PORTC và PORTD Ví dụ như thanh ghi DDRB được sử dụng để xácđịnh hướng truyền dữ liệu cho từng chân của PORTB Khi ghi một giá trị “0”(cũng là giá trị Reset) vào bit bất kỳ của thanh ghi sẽ làm cho bit đó trở thànhđầu vào ( ghi dữ liệu vào) và khi ghi giá trị “1” sẽ làm cho nó trở thành đầu ra(đọc dữ liệu ra)

Hình 2.4: Các thanh ghi dữ liệu

- Thanh ghi UDR (USART I/O data register)

+ Thanh ghi đệm truyền nhận dữ liệu có phần giống địa chỉ I/O được xemnhư thanh ghi dữ liệu USART hay UDR

+ Khi thực hiện quá trình đọc ( nhận) dữ liệu vào thì thanh ghi truyền dữliệu đệm (TXB) sẽ đến ghi dữ liệu vào thanh ghi UDR Còn khi truyền, thanhghi UDR sẽ quay trở lại chứa giá trị của thanh ghi nhận dữ liệu đệm (RXB)

Hình 2.5: Thanh ghi UDR

+ Sự truyền bộ đệm chỉ đươc ghi khi cờ UDRE trong thanh ghi UCSRAđược set Dữ liệu ghi đến UDR khi cờ UDRE không được kích sẽ đồng ý truyểnbởi USART Khi dữ liệu được ghi vào truyền đệm và thông tin được kích hoạt,thông tin sẽ tải dữ liệu vào thanh ghi truyền vị trí khi thanh ghi vị trí rống Sau

đó dữ liệu sẽ truyền ra từng chu kỳ trên chân TXD

-Thanh ghi UCSRA (USART Control and Status Register A)

Hình 2.6: Thanh ghi UCSRA

+ Bit 7-RXC : USART nhận thành công

Bit cờ sẽ được đặt khi có dữ liệu chưa đọc trong vùng nhận đệm và bị xoásạch khi vùng nhận đệm rỗng Nếu vùng nhận không được kích hoạt vùng nhậnđệm sẽ bị kích hoạt vì vậy bit RXC sẽ có giá trị 0

+ Bit 6-TXD : USART truyền thành công

Bit cờ sẽ được đặt khi toàn bộ khung trong thanh ghi vị trí truyền toàn bộ rangoài và không có dữ liệu mới trong khi bộ đệm truyền (UDR) Cờ TXC có thểphát truyền ngắt thành công.

+ Bit 5-UDRE : USART thanh ghi dữ liệu rỗng

UDR đã sẵn sàng để nhận một byte mới

+ Bit 4- FE : Frame Error

Bit sẽ set nếu một ký tự tiếp theo trong nhận đệm có một khung lỗi khinhận Luôn để bit này ở mức 0 khi ghi vào thanh ghi UCSRA

+ Bit 3- DOR : Data Over Rung

Bit này sẽ được set khi phát hiện dữ liệu tràn Dữ liệu tràn được tìm thấykhi vùng nhận đệm đầy Luôn để bit này ở mức 0 khi ghi vào thanh ghiUCSRA

+ Bit 2-PE : Party Error

Bit này sẽ được set nếu ký tự tiếp theo trong vùng đệm có lỗi chẵn lẻ.Luôn

để mức 0 khi ghi vào thanh ghi UCSRA

+ Bit 1-U2X : Tốc độ truyền USART gấp đôi.Để mức 0 khi có sự hoạtđộng của xung đồng bộ

+ Bit 0-MPCM : Kiểu xử lý truyền thông

-Thanh ghi UCSRB (USART Control and Status Register B)

Hình 2.7: Thanh ghi UCSRB

+ Bit 7-RXCIE : RX cho phép ngắt thành công

+ Bit 6-TXCIE : TX cho phép ngắt thành công

+ Bit 5-UDRIE : Cho phép thanh ghi dữ liệu USART ngắt rỗng

+ Bit 4-RXEN : Cho phép nhận

+ Bit 3-TXEN : Cho phép gửi

+ Bit 2-UCSZ2 : Cỡ ký tự

+ Bit 1-RXB8 : Nhận bít 8 dữ liệu

+ Bit 0-TXB8 : Truyền bit 8 dữ liệu

- Thanh ghi UCSRC (USART Control and Status Register C)

Hình 2.8: Thanh ghi UCSRA

+Bit7-URSEL : Lựa chọn thanh ghi

+Bit7-URSEL : Lựa chọn kiểu USART

+Bit 5:4-UMP1:0 : Kiểu chẵn lẻ

+Bit 3 – USBS : Lựa chọn dừng bit

+Bit 2:1 UCSZ1:0 : Cỡ ký tự

Đặt số bit dữ liệu trong khung nhận và gửi được sử dụng

+ Bit 0 : UCPOL : Thời gian phân cực

- Thanh ghi UBRRH, UBRRL (USART Baud Rate Register)

+ Bit 15-URSEL : Lựa chọn thanh ghi

+Bit 14-12 : Nhận bits

+ Bit 11-0 – UBRR11:0 : USART tốc độ truyền thanh ghi

* Khối số học ALU

Khối số học (ALU) thực hiện các thao tác như thao tác bit phép tính số học

và logic trên nội dung của các thanh ghi và ghi ngược kết quả vào tệp thanh ghitrên thanh ghi đã được chỉ định Các thao tác này được thực hiện trong một chu

kỳ đồng hồ đơn lẻ Mỗi một thao tác ALU đều làm ảnh hưởng đến các cờ trongthanh ghi trạng thái tuỳ thuộc vào lệnh

* Bộ nhớ EEPROM

Tất cả các bộ vi điều khiển AVR đều có một bộ nhớ EEPROM trên Chip.Dung lượng bộ nhớ EEPROM thay đổi từ 64 byte đến 4K byte Bộ nhớEEPROM được truy nhập thông qua thanh ghi truy nhập EEPROM Thanh ghi

EEAR là thanh ghi đọc/ghi, được sử dụng để đặt địa chỉ của bộ nhớ EEPROM

mà dữ liệu cần ghi vào đó hoặc đọc ra từ đó

* Cổng Vào/Ra

+ Tất cả các cổng lối ra của các bộ vi điều khiển AVR có thể chịu đựngdòng điện đến 20 mA nên rất thích hợp với việc điều khiển trực tiếp các đènLED vì không cần các mạch đệm bổ sung

+ Các cổng vào ra đều có ba địa chỉ vào ra đi kèm với nó Ba địa chỉ vào rađược cần đến để đặt cấu hình cho các bit riêng biệt thành lối vào hoạc thành lối

ra Các cổng đó được đánh số là DDRx, PORTx, PINx

+ Để đọc dữ liệu ở chân lối vào của một cổng , ta sử dụng thanh ghi PINx.Thanh ghi PINx được nối trực tiếp với chân của cổng, chúng có thể được cấptín hiệu để duy trì trạng thái theo các tạo mức điện áp cao bên trong bằng cáchghi giá trị 1 vào bit cổng ở các địa chỉ PORTx và ngược lại :

Hình 2.8: Thanh ghi PINx

* Bộ nhớ SRAM

Có trong hầu hết các bộ vi xử lý có giá thành cao trong họ AVR Dunglượng thay đổi từ 128 byte đến 4K byte Được truy nhập bằng nhiều lệnh truynhập trực tiếp hoặc gián tiếp, thời gian truy nhập bộ nhớ Sram bằng 2 lần chu

kỳ đồng hồ

* Bộ định thời

Có chức năng giống như một bộ định thời hoặc một bộ đếm Giống bộđịnh thời tín hiệu giữ nhịp bên trong hoặc một dẫn xuất của tín hiệu giữ nhịp đóđược sử dụng để giữ nhịp bộ định thời, trong khi trong khi dịch truyền khi

+ Một ký tự mới đã được ghi vào UDR sau khi bit stop từ ký tự trước đó

đã được dịch chuyển ra Thanh ghi dịch chuyển ra được nạp ngay lập tức

+ Một ký tự mới đã được ghi vào UDR trước khi bit stop từ ký tự trước

đã được dịch đi Thanh ghi dịch được nạp khi bit stop của ký tự đang đượctruyền đã được dịch chuyển ra

* Cấu trúc ngắt

Thiết bị ngoại vi sẽ ngắt việc thực thi của chương trình chính và bộ xử lýtạm thời ngừng làm việc thực thi chương trình bình thường để thẩm tra nguồnngắt và để thực hiện những thao tác đáp ứng cần thiết, sau khi xong việc thực

* Bộ so sánh ANALOG.

Bộ so sánh Analog so sánh các giá trị điện áp ở lối vào, cụ thể là ở lối vàoAIN0 (AC+) và AIN1(AC-) với nhau Nếu điện áp ở lối vào AIN0 lớn hơn ở lối

ra AIN1 thì lối ra của bộ so sánh Analog ACO được đặt lên mức 1 Lối ra này

có thể được sử dụng cho bộ Timer/Counter1 để trigơ hoặc xoá ngắt bộ so sánhAnalog

* Bộ biến đổi A/D bên trong

Bộ biến đổi tương tự số có độ phân giải là 10 bit, bộ dồn kênh 8 lối vào

Bộ biến đổi ADC được điều khiển qua 4 thanh ghi ADMUX, ADCSR, ADCH

và ADCL trong vùng địa chỉ vào ra Kết quả của quá trình biến đổi A/D đượcđặt ở thanh ghi ADCH (bit 8 và 9) và ADCL ( bit 0-7)

* Bộ định thời Watchdog bên trong

Là một bộ định thời điều khiển được và được sủ dụng làm thiết bị đánhthức trong trường hợp phần mềm bị rơi vào một hoặc một số vòng lặp vô tậnhoặc trong trường hợp việc thực thi chương trình bị mắc lỗi Có một lối ra cókhả năng đặt lại bộ điều khiển

2.2 Lựa chọn truyền động của các trục

2.2.1 Động cơ bước

Động cơ bước cơ bản là một động cơ điện không có bộ phận đảo mạch(chổi thang) Thông thường động cơ bước có nhiều hơn 2 cuộn dây đóng vaitrò stator (phần tĩnh) Rotor (phần động) vẫn là một nam châm vĩnh cửuhoặc là những khối có răng (khía) làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính (trườnghợp động cơ bước biến từ trở) Sự đảo mạch cho dòng điện trong cuộn dâyđược thực hiện bằng mạch điện điều khiển bên ngoài Thông thường, mạch

điều khiển này còn có thêm chức năng điều khiển động cơ quay tới lui hoặcgiữ nguyên vị trí xác định.

Hình 2.9: Phân biệt động cơ bước và động cơ điện thông thường.

Hình 2.10: Cấu tạo bên trong động cơ bước

Hình 2.11: Hình dáng bên ngoài của động cơ bước

Động cơ bước thuộc loại động cơ đồng bộ, chúng không thể quay tự do,liên tục mà hoạt động theo nguyên lý quay từng “bước”, mỗi bước động cơ

sẽ quay được một góc (ví dụ 1,80/bước) Một vòng quay của nó gồmnhiều bước nối tiếp nhau Quá trình “bước” được thực hiện bằng cáchluân phiên thay đổi cực từ của các mấu cuộn dây hoặc tăng số cực (củastator hoặc/và rotor) Bằng cách này ta có nhiều chế độ điều khiển động

cơ bước như: đủ bước, nửa bước,

Hầu hết các loại động cơ bước có thể hoạt động ở tần số âm thanh.Điều này cho phép chúng có thể quay khá nhanh Khi kết hợp với mạch điềukhiển bên ngoài, chúng có thể quay đến và dừng lại tại một vị trí xác định mộtcách chính xác

a.Một số khái niệm động cơ bước

- Góc bước

Độ dịch chuyển của mỗi bước phụ thuộc cấu trúc bên trong của động cơđặc biệt là số răng của rôto và stato.Góc bước là góc quay của một bước,cácđộng cơ khác nhau có góc bước khác nhau, và số bước trên một vòng là số bước

để động cơ quay được 360°.Số bước trên vòng là: 360°/góc bước

- Quan hệ số bước/giây và số vòng quay/phút RPM

Quan hệ giũa số vòng quay/phút RPM(revolutión per munite) với bướccủa một vòng quay và số bước/giây là quan hệ trưc quan được biểu diễn nhưsau:

(2.1)

Ở chuổi dạng xung chuyển mạch bốn bước thông thường thì sau khi thụchiện xong 4 bước Rôto chỉ quay được một bước răng.Do đó ở động cơ 200bước/vòng thì roto có 50 răng vì 50*4 =200 bước cần để quay hết một vòng ,nóicách khác góc bước càng nhỏ thì roto quay hết càng nhiều răng

Ví dụ: Tính số lần của chuổi 4bước cấp cho động cơ bước để quay được80° nếu động cơ có góc bước là 2°

Giải: Động cơ có bước là 2° thì suy ra những thông số sau: góc bước la2°,số bước trên vòng là 360/2=180,so răng roto là 180/4=45,góc quay sau mỗichuổi 4 bước là 8° vậy để quay 80° thì cần 10 chuỗi xung 4 bước

Vậy muốn quay 45° thì làm thế nào khi góc bước là 2°.Muốn có độ phângiải nhỏ hơn thì động cơ bước cần dùng chuỗi chuyển mạch 8 bước,vì ở chuổi 8bước mỗi bước bằng một nửa góc bình thường.Ví dụ ở động cơ có góc bước là2° có thể sử dụng góc bước 1° nếu áp dụng chuỗi sau:

đồng hồ đệm

12345678

11100000

00111000

00001110

10000011

Bảng 2.1:Chuỗi 8 bước điều khiển

- Tốc độ động cơ

Tốc độ động cơ được đo bằng số bước trong một giay,là một hàm của tốc

độ chuyển mạch.Từ ví dụ nêu trên có thể thấy rằng bằng việc tha đổi thời giantrễ ta có thể đạt được tốc độ quay khác nhau

- Mômen giữ

Mômen giữ được định nghĩa là mô men ngoài cần thiết để làm quay trụcđộng cơ từ vị trí của nó với điều kiện trục đông cơ đang đứng yên.Đại lượngnày được đo bằng tỷ lệ giữa áp dòng và cấp đến động cơ,đơn vị là kg cm

+ Chuỗi 4 bước điều khiển dạng sóng:

Ngoài chuỗi 4 bước và 8 bước ở trên ta còn có một chuỗi khác gọi làchuỗi 4 bước dạng sóng

kim đồng

hồ

dây A dây B dây C dây D quay bộ

đệm1

234

1000

0110

0011

0001

Bảng 2.2:Chuỗi 4 bước điều khiển dạng sóng

b Đặc điểm chung của động cơ bước

- Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ hoạt động dưới tác dụng củacác xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vàocuộn dây phần ứng của động cơ bước thì rotor(phần cảm) của động cơ sẽ quay

đi một góc nhất định ,và được gọi là một bước của động cơ ,khi các xung dòngđiện đặt vào cuộn dây phần ứng liên tục thì rotor sẽ quay liên tục

-Vị trí của động cơ bước được xác định bằng số lượng xung và vận tốccủa động cơ tỷ lệ với tần số xung ,và được xác định bằng số bước /giây.Tínhnăng làm việc của động cơ bước được đặc trưng bởi bước được thực hiện,đặctính góc(quan hệ của mômen điện từ theo gốc giữa trục của rotor và trục của từtrường tổng hợp) tần số xung giới hạn sao cho quá trình quá độ khi hoàn thành

có thể tắt đi trước khi bắt đầu bước tiếp theo.Tính năng mở máy của động cơđược đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không àm cho rotormất đồng bộ(bỏ bước).Tuỳ theo cấu trúc của loại đông cơ mà mà tần số động cơ

có thể tiếp nhận từ 10 đến 10000 Khz

-Bước của động cơ (giá trị góc giữa hai vị trí ổn định kề nhau của rotor)càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao.Bước của động cơ phụ

cấu của động cơ mà bước của động cơ thay đổi trong giới hạn từ 180° đến0.18°.Trong đó động cơ bước nam châm vĩnh cửu dạng cực móng có từ trở thayđổi từ 6° đến 45°,động cơ bước có từ trở thay đổi có góc bước nằm trong giớihạn từ 1.8° đến 30° và động cơ bước hỗn hợp góc bước thay đổi từ 0.36° đến15°.Các giá trị góc của các loại động cơ kể trên được tính theo chế độ đủ bước.

- Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc chiều dòng điện chạytrong cuộn dây phần ứng mà phụ thuộc vào thứ tứ cuộn dây phần ứng được cấpxung điều khiển,nhiệm vụ này do cơ cấu chuyển phát thực hiện

- Số cuộn dây phần ứng (cuộn dây pha) của động cơ bước được chế tạo từ

2 đến 5 cuộn dây pha (các bối dây) và được đặt đôi diện nhau trong các rãnhstator.Đối với loại chỉ có hai cuộn dây thì chỉ dùng cho điều khiển lưỡngcực(cuộn dây có cực tính thay đổi) với 4 cuộn dây cóp thể dùng cho cả 2 chế độđiều khiển lưỡng cực và điều khiển đơn cực

c Phân loại động cơ bước

Dựa vào cấu tạo, ta có ba loại động cơ bước chính là : Động cơ bướcnam châm vĩnh cửu, động cơ bước biến từ trở và động cơ bước hỗn hợp(động cơ lai) Ngoài ra còn có cách phân loại dựa vào mạch điều khiển nhưđộng cơ bước đơn cực, lưỡng cực

Để vận hành động cơ bước, từ trường do stator tạo ra phải thay đổiliên tục thành một chuỗi Để thực hiện điều này, ta lần lượt thay đổi chiềudòng điện chạy trong các cuộn dây theo một chuỗi có thứ tự Nếu chỉ mộtcuộn dây

của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định

và sau đó giữ nguyên ở đó cho đến khi mômen xoắn tác động vào trụcđộng cơ vượt qua giá trị mômen xoắn giữ tĩnh (detent torque)

Động cơ bước biến từ trở (hay còn gọi là động cơ bước phản kháng)không dùng nam châm vĩnh cửu để làm rotor mà dùng một khối có răng làmbằng vật liệu nhẹ có từ tính Phần stator là 3 đến 5 cuộn dây được nối chungvới nhau.

Hình 2.12: Động cơ biến từ trở

Vận hành: Thông thường đầu dây chung C được mắc với nguồn dương,các đầu dây còn lại lần lượt được kích theo chuỗi Ví dụ trong hình trên, ta cóthể kích như sau:

Cuộn 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 …

Cuộn 2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 …

Cuộn 3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 …

Bảng 2.3:Chuỗi điều khiển động cơ biến từ trở

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu:

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu,

và lưỡng cực (bipolar).

Hình vẽ bên dưới minh họa hai loại động cơ này

Hình 2.13: Mô hình cấu tạo động cơ bước đơn cực và lưỡng cực

Điều khiển động cơ đơn cực và lưỡng cực như trên giống nhau, theo bảngsau :

Như ta thấy trong hình, rotor của động cơ bước hỗn hợp gồm hai đĩa

bố trí so le nhau Mỗi đĩa có nhiều răng ứng với các cực Trong khi khicuộn dây trong phần stator giống như loại động cơ bước nam châm vĩnhcửu Mạch điều khiển của nó giống như mạch điều khiển động cơ bướcnam châm vĩnh cửu

d Đặc tính của động cơ bước

- Tĩnh học động cơ bước:

+Mô-men xoắn (quay)

Khi động cơ bước quay mỗi góc S rad/bước, mô-men xoắn giữ men hãm) của một cuộn dây trong động cơ có dạng hình sin như hình 9bên dưới Nhưng trong thực tế, động cơ còn chịu yếu tố bên ngoài, làmméo dạng hình sin

(mô-Hình 2.15 : Mô-men xoắn trong động cơ bước (lý tưởng)

Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư trong mạch từ củađộng cơ có thể tạo ra một mô-men xoắn dư nhỏ, nhưng đối với động cơnam châm vĩnh cửu và hỗn hợp, lực hút giữa các cực từ và từ trường vĩnhcửu của rotor có thể tạo ra một mô-men xoắn đáng kể Chính điều nàylàm cho động cơ bước không thể quay tự do, ngay cả lúc chưa được cấpđiện Khi mô-men xoắn T nhỏ hơn hoặc bằng mô-men xoắn giữ H (giá trịcực đại của mô-men xoắn trên biểu đồ), động cơ sẽ giữ nguyên vị trí.Từ đồ

thị trên, dễ thấy là dòng điện điều khiển “lý tưởng” cho động cơ bước cũng

có dạng hình sin Với hai pha ta cần 2 hình sin lệch pha nhau 900 hay nóicách khác một hình sin và một hình cosin (điều khiển đủ bước một pha).Nếu cấp điện hai pha cùng lúc, mô-men xoắn tạo ra là tổng của các mô-men thành phần (điều khiển đủ bước hai pha)

*Điện trở và cảm kháng cuộn dây:

Điện trở và cảm kháng cuộn dây trong động cơ bước là haithông số quan trọng trong động cơ bước Nó qui định khả năng hoạt độngcủa động cơ (công suất và tần số hoạt động )

Điện trở cuộn dây là nguồn tiêu tốn công suất và nguồn tỏa nhiệtchính của động cơ Công suất tiêu tán do điện trở cuộn dây cho bởi :

PM  RM I 2 Cuộn dây của động cơ giống như cuộn cảm làm cản trở sự thay đổicủa dòng điện, điều này làm giảm đặc tính tốc độ hoạt động của động

cơ Đồ thị dòng điện và thời gian trì hoãn của cuộn dây được cho tronghình bên dưới