đề tài thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THIẾT KẾ MODULE CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC GVHD: ThS. Lê Tấn Cường SVTH : Nguyễn Văn Dũng MSSV : 05111013 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2010 2 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Dũng MSSV: 05111013 Ngành : Cơ Điện Tử Mã ngành: 11 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2005 Lớp: 051112 I. Tên đề tài: Thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước II. Nhiệm vụ cụ thể: - Tìm hiểu động cơ bước. - Tìm hiểu 2 IC chuyên dụng L297 và L298. - Thiết kế module điều khiển động cơ bước. III. Ngày giao đồ án: Ngày … tháng… năm 2009 IV. Ngày hoàn thành đồ án: Ngày… tháng… năm 2010 V.Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tấn Cường Ngày… tháng… năm 2009 Giảng viên hướng dẫn Chủ nhiệm bộ môn (Ký tên) (Ký tên) Ths.LÊ TẤN CƯỜNG Ths. NGUYỄN THẾ HÙNG 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP.HCM, Ngày… tháng… năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Ths. LÊ TẤN CƯỜNG 4 TÓM TẮT TIỂU LUẬN Như đã biết động cơ bước được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như : điều khiển băng chuyền,sử dụng trong máy in,trong robot,trongm áy CNC… với xu hướng mạch điều khiển phải nhỏ gọn,dễ điều khiển hơn so với việc sử dụng IC số.Với 2 IC chuyên dụng L297 và L298 ta có thể giải quyết được vấn đề này. Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện tôi xin tóm tắt những vấn đề làm được qua những chương sau: - Chương 1: Động cơ bước - Chương 2: IC L297 và L298 - Chương 3: Module điều khiển. 5 MỤC LỤC Nhiệm vụ của đồ án Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Tóm tắt đồ án Mục lục PHẦN 1: DẪN NHẬP 1.1. Đặt vấn đề 1.2. Đối tượng nghiên cứu 1.3. Mục đích nghiên cứu 1.4. Phương pháp nghiên cứu 1.5. Phương tiện nghiên cứu 1.6. Giới hạn đề tài PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1 Khái niệm về động cơ bước……………….…………………………………………… 1.2 Phân loại động cơ bước 1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên………………………………………………………. 1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu………………………………………………… 1.2.3 Động cơ bước lai…………………………………………………………………… 1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực…………………………………………………………… CHƯƠNG 2: IC L297 và L298 2.1. IC L297 2.2.1.Giới thiệu 2.2. 2 Sơ đồ chân và sơ đồ khối 2.3.3 Chức năng các chân 2.2.4 Hoạt động 2.2.5 Chuỗi xung Phase của L297 2.1.5.1 Chế độ nửa bước………………………………………………………………… 2.1.5.2 Chế độ bình thuờng……………………………………………………………… 2.1.5.3 Chế độ “sóng”-wave drive mode…………………………………………… … 2.1.6 Đặc tính điện…………………………………………………………… 2.1.7 Giản đồ xung clock…………………………………………………………………. 6 2.2. IC L298 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Sơ đồ khối 2.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa 2.2.4 Sơ đồ chân 2.2.5 Thông số về nhiệt độ 2.2.6 Chức năng các chân 2.2.7 Thông tin ứng dụng 2.2.8 Đặc tính điện CHƯƠNG 3: MODULE ĐIỀU KHIỂN 3.1. Ghép L297 với L298 3.2. Module hoàn chỉnh Tài liệu tham khảo 7 PHẦN 1: DẪN NHẬP I.1. Đặt vấn đề: Thông thường động cơ bước được điều khiển bằng vi điều khiển và IC số nhưng mạch điều khiển thường cồng kềnh,khó điều khiển.Với nhu cầu ngày càng tối ưu hóa mạch điều khiển thì với viêc sử dụng IC chuyên dụng để điều khiển đạt hiệu quả cao cho mục đích này. Việc sử dụng IC thường ta phải có thêm mạch cầu H nếu muốn đổi chiều động cơ,nhưng với IC chuyên dụng L298 có tích hợp 2 cầu H nên việc đổi chiều động cơ sẽ dễ dàng hơn rất nhiều. Trong phạm vi nội dung đồ án này,tôi sẽ tiến hành ghép nối 2 IC L297 và L298 để thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước. 1.2. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đồ án : Động cơ bước , 2 IC L297,L298 và cách ghép nối giũa chúng để thiết kế module điều khiển. 1.3. Mục đích nghiên cứu: Đồ án được nghiên cứu nhằm thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước. 1.4. Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm: - Tham khảo tài liệu: tài liệu tham khảo được thu thập chủ yếu qua Internet. - Tự nghiên cứu: từ nguồn tài liệu thu thập được, quá trình thực hiện đồ án bắt buộc phải trải qua việc nghiên cứu nguồn tài liệu, chắt lọc những thông tin có giá trị, đồng thời tự suy nghĩ tìm ra cách giải quyết vấn đề. - Thực tế làm việc: Từng bước thực hiện giải quyết vấn đề đã đặt ra.Trong quá trình thực hiện nảy sinh những vấn đề khó khăn mà người nghiên cứu phải trực tiếp giải quyết mới có thể tìm ra cách giải quyết đúng đắn. 1.5. Phương tiện nghiên cứu: Các phương tiện phục vụ cho quá trình nghiên cứu bao gồm: file hướng dẫn, sách tham khảo, tài liệu thu thập từ Internet,… 1.6. Giới hạn của đề tài: Do còn hạn chế về kiến thức và khả năng nghiên cứu của người nghiên cứu nên đồ án vẫn còn các hạn chế. 8 PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1. Khái niệm về động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng 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 lượng các xung được áp vào. Hình1.1: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế. Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935. Các mô hình động cơ bước trước đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bước ngày nay đã được cải tiến rất nhiều và có thể được 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… 9 Động cơ bước Dây ra từ động cơ Hình : Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in. 1.2. Phân loại động cơ bước Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator. Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại: - Động cơ bước từ trở biến thiên. - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu - Động cơ bước lai. Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại: - Động cơ bước đơn cực. - Động cơ bước lưỡng cực. Hình : Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước. Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong phương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator có các răng tương tự để giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn. 10 1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên Các động cơ bước 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. Hoạt động này tương tự như hoạt động của cuộn solenoid. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do. Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5 o hoặc 15 o . Hình : Động cơ bước từ trở. 1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trì khi động cơ không còn được cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được định hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi. Hình : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm, nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt). Các động cơ bước 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 bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8 o ; 7,5 o , 30 o ; 45 o ; và 90 o . 11 [...]... thứ hai Các động cơ bước lai có nhiều răng hơn và có mô men lớn hơn Các góc bước tiêu biểu là 0,9 o và 1,8o Hình : Động cơ bước lai Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8o Độ chính xác của hầu hết các động cơ bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiện nhờ vào các góc bước nhỏ hơn...1.2.3 Động cơ bước lai Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh trục động cơ Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép được gắn chặt trên mỗi đầu Động cơ bước lai chỉ... 3: MODULE ĐIỀU KHIỂN 3.1 Ghép L297 với L298 Dựa vào datasheet ta có mạch ghép nối L297 với L298 như hình : Với kiểu kết nối như hình trên ta có thể điều khiển động cơ bước với dòng điện trong mỗi pha lên đến 2A L297 nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển của hệ thống,thường là vi điều khiển và cung cấp các tín hiệu cần thiết. Ngoài ra nó còn chứa mạch chopper PWM để điều khiển các cuôn dây của động. .. Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8 dây Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn cực cho động cơ này Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng Hình : Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý 14 CHƯƠNG 2: IC L297 và L298 2.1 IC L297 2.1.1.Giới thiệu L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện... điều khiển điện tử Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ Với IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic cho... ABCD=0101) 2.1.4 Hoạt động: IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng Các tín hiệu vào là: xung clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/ nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản... Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước Loại động cơ bước Góc bước 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 12 1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây, cực tính điện từ cũng bị đảo a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý 1.2.4 Động cơ bước đơn... (ngoại trừ chip tạo dao động cho hệ đồng bộ L297) + Tần số: f=1/0.69RC 17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ Chiều quay còn phụ thuộc vào cách đấu dây cho động cơ 17 18 CLOCK Chân clock cho động cơ Loại xung tích cực mức thấp Moto bước khi có cạnh xuống ở chân này 19 HALF/FULL Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước 20 RESET Ngõ vào RESET RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về vị trí HOME... để ổn định dòng tải động cơ 6 B Tín hiệu phase B của mô-tơ 7 C Tín hiệu phase C của mô-tơ 8 INH2 Chức năng giống chân INH2 Điều khiển phase C, D 9 D Tín hiệu phase D của mô-tơ 10 ENABLE Chân cho phép hoạt động (enable) Khi chân này ở mức thấp, chân ngõ ra phase A, B, C, D, INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp 11 CONTROL Chân điều khiển hoạt động CHOPPER Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua... thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửa bước (luân phiên cấp . để thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước. 1.2. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đồ án : Động cơ bước , 2 IC L297,L298 và cách ghép nối giũa chúng để thiết kế module điều. ÁN CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1. Khái niệm về động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng. : Cơ Điện Tử Mã ngành: 11 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2005 Lớp: 051112 I. Tên đề tài: Thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước II. Nhiệm vụ cụ thể: - Tìm hiểu động cơ