Bài tập dài Thiết kế hệ VXL bit Đề bài: Thiết kế hệ VXL điều khiển động bớc (hai động cơ) I Yêu cầu: Thiết kế hệ VXL : +) Điều khiển chuyển động +) Tạo thành điều khiển theo luật tỷ lệ (tích phân) II Nội dung: Phân tích yêu cầu công nghệ(suy luật điều khiển) Thiết kế sơ đồ khối hệ VXL Chọn phần tử Viết chơng trình Thử nghiệm Chơng I: Giới thiệu động bớc I Giới thiệu động bớc: Các hệ truyền động rời rạc thờng đợc thực nhờ động chấp hành đặc biệt động bớc Động bớc thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dới dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động roto có khả cố định roto vào vị trí cần thiết Động bớc làm việc đợc nhờ có chuyển mạch điện tử đa tín hiệu ®iỊu khiĨn vµo stato theo mét thø tù vµ mét tần số định Tổng số góc quay tơng ứng với số lần chuyển mạch, nh chiều quay tốc độ quay roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Khi có xung điện áp đặt vào dây quấn stato (phần ứng) động bớc roto (phần cảm) động quay góc định, góc bớc quay động Khi xung điện áp đặt vào phần ứng thay đổi liên tục roto quay liên tục (nhng thực chất chuyển động theo bớc rời rạc) Về cấu tạo coi động bớc tổng hợp hai loại động cơ: Động chiều không tiếp xúc động đồng giảm tốc công suất nhỏ Xét cấu tạo, động bớc có ba loại chính: Động bớc có roto đợc kích thích (có dây quấn kích thích kích thích nam châm vĩnh cửu), động bớc có roto không kích thích (động kiểu cảm ứng động kiểu phản kháng), động bớc hỗn hợp (kết hợp hai loại trên) Theo phơng diện khác, coi động bớc linh kiện (hay dụng cụ số mà thông tin số hoá đà thiết lập đợc chuyển thành chuyển động quay theo bớc Động bớc thực thực trung thành lệnh đà số hoá mà máy tính yêu cầu( hình 1) II Nguyên lý hoạt động động bớc: Khác với động đồng không thờng, roto động bớc cuộn dât khởi động (lồng sóc mở máy) mà đợc khởi động phơng pháp tần số, roto động bớc đợc kích thích (roto kích thích) không đợc kích thích (roto thụ động) Hình sau vẽ sơ đồ nguyên lý động bớc m pha với roto có hai cực (2p=2) không đợc kích thích Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý động bớc m pha với rôto cực lực điện từ điều khiển bắng xung cực Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato xung cực (hình 3a) xung hai cực (hình 3b) Chuyển mạch điện tử cung cấp điện áp điều khiển cho cuộn dây stato theo cuộn dây riêng lẻ theo nhóm cuộn dây Trị số chiều lực điện từ tổng F động vị trí roto không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phơng pháp cung cấp điện cho cuộn dây Ví dụ cuộn dây động hình hai đợc cấp điện cho cuộn dây riêng lỴ theo thø tù 1,2,3 m, bëi xung mét cùc, roto động có m vị trí ổn định trùng với trục cuộn dây (hình 2) Trong thực tế để tăng cờng lực điện từ tổng stato tăng từ thông mômen ®ång bé, ngêi ta thêng cÊp ®iÖn cho hai, ba nhiều cuộn dây Lúc roto động bớc có vị trí cân (ổn định) trùng với vecto điện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F có giá trị lớn lực điện từ thành phần cuộn dây stato (hình 2b 2c) Trên hình 2b vẽ lực điện từ tỉng F cung cÊp ®iƯn ®ång thêi cho mét số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây) Lực điện từ tổng F có trị số lớn nằm vị trí hai trục hai cuộn dây Trên hình 2c vẽ lực điện từ tổng F cung cấp điện đồng thời cho số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây) Lực điện từ tổng F n»m trïng víi trơc cđa mét cn d©y nhng có trị số lớn Trong hai trờng hợp (cấp điện cho số chẵn cuộn dây cho số lẻ cuộn dây), rôto động bớc có m vị trí cân Góc xê dịch hai vi trí liên tiếp roto Nếu cấp điện theo thứ tự số chẵn cuộn dây, số lẻ cuộn dây (ví dụ kết hợp hình 2b 2c), có nghĩa số lợng cuộn dây đợc điều khiển luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ từ lẻ sang chẵn số vị trí cân roto tăng gấp đôi 2m, độ lớn bớc giảm nửa Trờng hợp đợc gọi điều khiển không xứng; hay điều khiển nửa bớc (Haft Step) Nếu số lợng cuộn dây đợc điều khiển luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b 2c) roto có m vị trí cân đợc gọi điều khiển đối xứng, hay điều khiển bớc (Full Step) III ứng dụng động bớc: Động bớc ngày đợc sử dụng rộng rÃi hệ thống tự động, điều khiển xa nhiều thiết bị điện tử khác Đặc biệt lĩnh vực: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm máy in hệ thống máy tính, điều khiển robốt, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quang khác phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, lập trình điều khiển hệ gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phơng chiều máy bay Chơng II: thiết kế Hệ thống điều khiển động bớc I Các yêu cầu điều khiển động bớc: Các chế độ điều khiển: Hình 2.1 Giản đồ nguyên lý lực điện từ điều khiển chế độ vi bớc Hình 2.1 vẽ mối quan hệ véc tơ lực điện từ F 1,F2 hai cuộn dây 1và đợc cấp dòng điện đơn cực vecto lực điện từ tổng F Trên hình 2.1: F1: lực điện từ tác động lên roto cuộn dây đợc kích thích; F2: lực điện từ tác động lên roto cuộn dây đợc kÝch thÝch; F : lùc ®iƯn tõ tỉng; : gãc bớc; : góc cần điều chỉnh (góc vi bớc) Xét tam giác OAB ta có Từ công thức ta suy trờng hợp sau: a Điều khiển bớc: - Điều khiển bớc: Đầu tiên cho F2= F1= F nên roto vị trí trục cuộn dây Sau cho F 1= F2= F nên roto vị trí trục cuộn dây hai b Điều khiển nửa bớc: - Nếu ta cho F2 =0 F1 =F, roto vị trí trục cuộn dây1 - Tiếp theo cho F1=F2=F, roto vị trí góc - Sau cho F1=0 F2=F, roto vị trí trục cuộn dây Trong trờng hợp roto chuyển động bíc c §iỊu khiĨn vi bíc: NÕu ta điều khiển cho lực F giảm dần theo bớc từ F đến lực F2 tăng dần bớc từ đến F roto quay bớc từ vị trí OA đến OB Các đặc trng tín hiệu điện điều khiển động bớc: Đối với động bớc, tín hiệu điện điều khiển xung rời rạc Việc điều khiển động bớc phụ thuộc vào tham số sau xung điều khiển: - Dòng điện I, kể cực tính (và liên hệ mật thiết với mức điện áp U) - Độ rộng xung (liên quan đến khả dịch bớc) - Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay) - Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự số lợng cuộn dây pha đợc cấp (liên quan đến chiều quay mômen tải) Tuỳ thuộc vào việc cấp xung, động bớc có bốn trạng thái sau đây: a Trạng thái không hoạt động: Khi cuộn dây đợc cấp điện: - Đối với động phản kháng: roto quay trơn - Đối với động nam châm vĩnh cửu động kiểu hỗn hợp: có mômen hÃm, roto có xu hớng dừng vị trí mà đờng khép từ thông cực roto stato nhỏ b.Trạng thái giữ: Khi số cuộn dây pha đợc cấp điện chiều Roto mang tải đợc giữ chặt vị trí góc bớc định lực điện từ tổng F sinh mômen giữ c.Trạng thái dịch chuyển bớc: roto dịch chuyển từ vị trí bớc đợc giữ sang vị trí bớc cuộn dây pha đợc cấp dòng phù hợp d.Trạng thái quay giới hạn: Trong chế độ không tải, xung điều khiển có tần số cao, động quay vợt tốc độ trạng thái động không đảo chiều, dừng vị trí, nhng tăng giảm từ từ Muốn dừng đảo chiều động phải giảm xuông dới tốc ®é giíi h¹n ®Ĩ ho¹t ®éng chÕ ®é bíc Nh động bớc đợc coi làm việc hai trạng thái b c Điều khiển dòng điện I điện áp U: Có nhiều cách để điều khiển dòng điện điện áp nh : điều khiển dòng áp hệ số L/R, điều khiển dòng áp độ rộng xung, điều khiển dòng áp điện áp hai mức, điều khiển dòng áp nguồn dòng Trong phạm vi tập lớn ta sử dụng phơng pháp điều khiển dòng áp nguồn dòng Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nguồn dòng Nguồn dòng phận nguồn phát suất giá trị dòng điện không đổi Iconst Điện áp điện áp Ut rơi t¶i R t : Ut = Iconst Rt Khi ë chế độ giữ, X đk = làm cho bóng bán dẫn T mở liên tục, cuộn dây có dòng không đổi I, điện áp U t = U = I.R Khi chế độ không kích hoạt (ngắt), X đk = bóng bán dẫn T ngắt mạch, cuộn dây khôngcó dòng điện chạy U t = Umax Điều khiển tốc độ quay động cơ: §éng c¬ bíc cã thĨ quay víi bÊt kú tÊc độ giải từ vòng/phút đến giá trị cực đại cho phép Vận tốc động bớc hiểu vận tốc trung bình Vận tốc trung bình động bớc đợc tính: (vòng/giây) Việc thay đổi vận tốc động bớc đợc thực cách thay đổi tần số dịch bớc f Tần số dịch bớc f trờng hợp tổng quát không đồng với xung điều khiẻn, mà tổ hợp biến đổi trạng thái xung điều khiển Vì việc điều khiển xung điều khiển thờng đợc thực VXL Gọi Tcb thời gian hai lần chuyển bíc liªn tiÕp, ta cã vËn tèc tøc thêi Vt Vt= (vòng/giây) Điều khiển chiều quay động bớc: Chẳng hạn roto vị trí bớc thứ n Nếu ta cấp điện cho chuyển sang vị trí thứ (n+1) động quay phải ta cấp điện cho chuyển sang vị trí thứ (n-1) động quay trái Bộ tạo xung điều khiển thực việc Đối với động pha, cấp xung cực có trạng thái cấp điện vào cuộn dây cho hai trờng hợp điều khiển bớc nửa bớc Ta có bảng trạng thái cấp điện pha động pha TT Cuén 1 0 0 1 Cuén 1 0 0 Cuén 0 1 0 Cuén 0 0 1 Điều khiển bớc có trạng thái:1,3,5,7 2,4,6,8 Giả sử ta điều khiển trạng thái 1,3,5,7 TT Cuén 0 Cuén 0 Cuén 0 10 Cuén 0 NÕu ph¸t xung cho theo trình tự cấp điện cho cuộn dây từ 1,2,3,4 động chạy thuận ngợc lại động chạy ngợc Trong phạm vi tập lớn ta thiết kế hệ thống điều khiển động bớc pha sử dụng nguồn dòng với chế độ điều khiển bớc II Sơ đồ mạch lực: Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực nguồn dòng cho động pha Mỗi pha đợc cấp nguồn dòng riêng biệt, bóng bán dẫn Q1, Q2, Q3, Q4 làm nhiệm vụ chuyển mạch điện tử; điều khiển bóng bán dẫn xung X 1, X2, X3, X4 ; điốt D1, D2, D3, D4 làm nhiệm vụ xả lợng ngợc lại nguồn, dập xung ngợc bóng bán dẫn ngắt mạch 11 III Sơ đồ mạch điều khiển: Mạch điều khiển gồm phần sau: - Khối nguồn - VXL - Vi mạch nhớ - Khối vào/ra (I/O) - Khối khuyếch đại Khối nguồn : Hinh 2.5 Khèi nguån Khèi nguån gåm cã mét IC 7805 , tụ C1 = 3,3 F mắc ngõ vào tụ C2 = F mắc ngõ nhằm mục đích ổn định, điện áp vào 6V cha ổn định sau qua khối nguồn thành nguồn 5V ổn định, phẳng ( loại bỏ hết ®ét biÕn d¬ng ) ë ngâ ®Ĩ cung cÊp cho m¹ch VXL : a Chän VXL: 12 Tõ yêu cầu dùng VXL ta dự kiến dùng chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 Intel, mà cụ thể dùng chip 8051 chip vi điều khiển Đặc điểm chip vi điều khiển nói chung đợc tích hợp với đầy đủ chức hệ VXL nhỏ, thích hợp với thiết kế hớng điều khiển Tức bao gồm: mạch VXL, nhớ chơng trình liệu, đếm, tạo xung, cổng vào/ra nối tiếp song song, mạch điều khiển ngắt, giảm nhỏ dòng tiêu thụ, tăng tốc độ làm việc hay tần số xung nhịp CPU, giảm điệp áp nguồn nuôi, mở rộng nhiều chức chip, mở rộng cho thiết kế lớn, đợc hỗ trợ tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả mềm dẻo vấn đề viết chơng trình phần mềm điều khiển đợc sử dụng phổ biến đợc coi chuẩn công nghiệp cho thiết kế khả dụng Mặt khác, qua việc khảo sát thị trờng linh kiện việc có đợc chip 8051 dễ dàng nên mở khả thiết kế thực tế b Giới thiệu VXL 8051: Hình 2.6 Sơ đồ khối chip 8051 13 Hình 2.7 Sơ đồ chân cđa 8051 Vi m¹ch nhí: Tõ cÊu tróc cđa vi điều khiển 8051 yêu cầu thiết kế ta tiến hành phân chia vùng nhớ nh sau: Bộ nhớ chơng trình 8K ROM chia làm hai vùng: ROM (On-chip) có địa vật lý: 0000H 0FFFH ROM (2732) có địa vật lý: 1000H 1FFFH Bộ nhớ liệu đợc mở rộng thêm 32K RAM gồm RAM 8K có địa vật lý: 2000H 9FFFH 4.Khối vào (I/O) : Mạch ghép nối vào/ sử dụng IC 8255 với địa cấu hình nh sau: §Þa chØ cỉng PA: A000H §Þa chØ cỉng PB: A001H §Þa chØ cỉng PC: A002H 14 §Þa chØ cđa tõ ®iỊu khiĨn PSW: A003H 5.Khèi khch ®¹i: Ta sư dơng transistor ghép quang 4N33 để khuếch đại dòng (công suất) Tín hiệu từ port I/O đợc đa đến chân khối khuếch đại nh hình vẽ Tín hiệu xung X1, X2, X3, X4 đợc đa vào chân bazơ bóng bán dÉn Q1, Q2, Q3, vµ Q4 lµm nhiƯm vơ chun mạch điện tử Hình 2.8 Khối khuếch đại IV Chọn phần tử tính toán: Giả sử chọn loại động bớc có: +) =1.80 +) Vmax=15 vòng/giây (900vòng/phút) +) Động pha Do ta có Tcb > = 0.33 ms Cũng có nghĩa tần số chuyển bớc f