Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình robot tự hành đơn giản

Đề tài “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hìnhrobot tự hành đơn giản” chủ yếu tìm hiểu về cách hoạt động và phương pháp điềukhiển động cơ bước, giúp cho sinh vi

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải

Giáo viên hướng dẫn: TRỊNH TUẤN DƯƠNG

Sinh viên thực hiện: DƯƠNG VĂN ĐIỆP Lớp : Cơ điện tử - k51

Mã sinh viên: 1002892

Nhi m v ệm vụ ụ

Đề tài đặt ra là “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng môhình robot tự hành đơn giản” Kết quả đạt được là một robot tự hành bám đường đơngiản có khả năng di chuyển theo một đường đã định sẵn Việc di chuyển của robot sẽđược lập trình sẵn dựa trên vi điều khiển Vi điều khiển sử dụng trong đề tài là vi điềukhiển PIC18F4550, các đặc tính của vi điều khiển này sẽ được trình bày ở phần sau

Đề tài “tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng trong việc xây dựng mô hìnhrobot tự hành đơn giản” chủ yếu tìm hiểu về cách hoạt động và phương pháp điềukhiển động cơ bước, giúp cho sinh viên làm quen với việc sử dụng vi điều khiển, kĩnăng lập trình, phương pháp thu thập dữ liệu từ các cảm biến sensor, điều khiển động

cơ và các mạch phụ trợ khác

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo Trường Đại HọcGiao Thông Vận Tải Hà nội đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức,kinh nghiệm quý giá trong suốt bốn năm chúng em học đại học

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trịnh Tuấn Dương, đã tận tình hướngdẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Và xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp cơ điện tử - K51, những người đồng hànhtrong khóa học và có nhiều ý kiến đóng góp

Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc!

Hà Nội, ngày 21 tháng 3 năm 2014

Sinh viên thực hiện:

Dương Văn Điệp

L i m đ u ời mở đầu ở đầu ầu

Chúng ta đang sống trong một kỉ nguyên mà mọi thành tựu khoa học và côngnghệ đều xuất hiện một cách hết sức mau lẹ và cũng được đổi mới một cách cực kìnhanh chóng Ngày nay khoa học công nghệ là một trong những hoạt động có tốc độphát triển nhanh nhất thời đại Các thành tựu của khoa học công nghệ đã được áp dụngvào mọi lĩnh vực của cuộc sống Khoa học làm cho xã hội ngày càng phát triển

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, robot đã trởthành một trong những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống Robot đã dần dần thaythế con người làm những công việc từ đơn giản đến những công việc đòi hỏi sự chínhxác cao Tầm quan trọng của robot đối với cuộc sống của con người và khả năng chinhphục thiên nhiên đã dẫn tới sự phát triển vượt bậc của công nghệ này

Với ưu điểm của vi điều khiển, em đã ứng dụng để nghiên cứu ứng dụng đề tài

“chế tạo robot dò đường” Với sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy TRỊNH TUẤNDƯƠNG , em đã hoàn thành được đề tài của mình Trong quá trình thực hiện khôngtránh khỏi những thiếu sót, em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn

để nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

M c l c ụ ụ

Contents

Nhiệm vụ 2

Lời mở đầu 4

Mục lục 5

Danh sách bảng biểu, hình vẽ: 8

Tóm tắt hướng thực hiện đề tài 10

Chương 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC 12

1.1 Lịch sử phát triển 12

1.2 Phân loại 13

1.2.1 Họ cấp thấp (low-end) 13

1.2.2 Họ cấp chung (Mid-range) 14

1.2.3 Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx 15

1.2.4 Họ cấp cao (High- performance) 15

1.3 Ưu thế của PIC 16

1.4 Cấu trúc vi điều khiển PIC 17

1.5 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC18F4550 19

1.5.2 Sơ đồ chân 21

Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước 28

2.1 Giới thiệu động cơ bước 28

2.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại 29

2.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 30

2.2.2 Động cơ bước biến trở từ 31

2.2.3 Động cơ bước lai (động cơ hỗn hợp) 32

2.2 Nguyên lí hoạt động 33

2.3 Momen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước 35

2.4 Cấu tạo động cơ bước 35

2.5 Cơ sở lí thuyết điều khiển động cơ bước 36

2.5.1 Ba chế độ (mode) điều khiển đông cơ bước 36

2.5.2 Điều khiển motor lưỡng cực với cầu H 42

2.5.3 Lợi ích của động cơ bước 44

2.6 Động cơ bước sử dụng trong đồ án là step motor 28BYJ-48 5VDC 45

Chương 3: Tìm hiểu về robot dò đường tự động 48

3.1 Robot dò đường tự động 48

3.1.1 Phần cơ khí 48

3.1.2 Mạch điện tử 48

3.1.3 phần lập trình 48

3.2 Nguyên lí hoạt động của robot dò đường tự động: 49

3.2.1 Nguyên tắc điều khiển 49

3.2.2 Xử lí tín hiệu cảm biến 50

Chương 4: Thiết kế - chế tạo robot dò đường tự động 54

4.1 Các yêu cầu về công nghệ 54

4.1.1 Yêu cầu về chức năng: 54

4.1.2 Yêu cầu về mặt kĩ thuật 54

4.2 Sơ đồ khối chức năng 55

4.2.1 Khối nguồn 56

4.2.2 Khối điều khiển trung tâm 58

4.2.3 Khối sensor 61

4.2.4 Khối điều khiển động cơ (step motor) 63

kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài 69

 Sau khi hoàn thành đồ án đạt được kết quả sau: 69

 Những mặt hạn chế của đồ án 69

 Hướng phát triển của đề tài 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

71

Danh sách b ng bi u, hình vẽ: ảng biểu, hình vẽ: ểu, hình vẽ:

HÌNH 1 1: CẤU TRÚC VON-NEUMANN VÀ CẤU TRÚC HAVARD 17

HÌNH 1 2: CẤU TRÚC CÁC KHỐI BÊN TRONG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18

HÌNH 1 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4550 19

HÌNH 1 4: GIAO TIẾP USB 20

HÌNH 1 5: PIC18F4550 TRONG HỘP 28 CHÂN 21

HÌNH 1 6: PIC18F4550 TRONG HỘP 40 CHÂN 22

HÌNH 1 7: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA PIC18F4550 23

HÌNH 2 1: HÌNH DẠNG MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC 28

HÌNH 2 2: ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC 30

HÌNH 2 3: ĐỘNG CƠ BƯỚC LƯỠNG CỰC 30

HÌNH 2 4: ĐỘNG CƠ BƯỚC NHIỀU PHA 31

HÌNH 2 5: ĐỘNG CƠ BƯỚC BIẾN TRỞ TỪ 31

HÌNH 2 6: ĐỘNG CƠ KIỂU HỖN HỢP 32

HÌNH 2 7: ĐIỀU KHIỂN CẢ BƯỚC 1 PHA 37

HÌNH 2 8: GIẢN ĐỒ XUNG 1 PHA 37

HÌNH 2 9: ĐIỀU KHIỂN CẢ BƯỚC 2 PHA 37

HÌNH 2 10: GIẢN ĐỒ XUNG 2 PHA 38

HÌNH 2 11: ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ NỬA BƯỚC 38

HÌNH 2 12: GIẢN ĐỒ XUNG NỬA BƯỚC 39

HÌNH 2 13: MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC 39

HÌNH 2 14: MẠCH ĐIỀU KHIỂN 40

HÌNH 2 15: MỘT MẠCH CẦU H THỰC TẾ 42

HÌNH 2 16: IC L293 43

HÌNH 2 17: SƠ ĐỒ IC L298 43

HÌNH 2 18: ĐỘNG CƠ BƯỚC 28BYJ 5VDC 45

H ÌNH 2 19: ĐỘNG CƠ BƯỚC 28BYJ 5VDC 46

HÌNH 3 1: SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CẢM BIẾN 49

HÌNH 3 2: HÀNH VI ĐIỀU CHỈNH HƯỚNG ĐI CỦA ROBOT 51

HÌNH 3 3: SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CỦA ROBOT 51

H ÌNH 4 1: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG 55

H ÌNH 4 2: MẠCH ỔN ÁP 5V 56

H ÌNH 4 3: MẠCH IN ỔN ÁP 5V 57

H ÌNH 4 4: HÌNH 3D MÔ PHỎNG MẠCH ỔN ÁP 5V BẰNG PROTEUS 57

H ÌNH 4 5: MẠCH NGUYÊN LÍ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 58

H ÌNH 4 6: MẠCH DAO ĐỘNG THẠCH ANH 59

H ÌNH 4 7: CHÂN RESET 60

H ÌNH 4 8: MẠCH IN VI ĐIỀU KHIỂN PIC BẰNG PROTEUS 60

H ÌNH 4 9: MẠCH IN VI ĐIỀU KHIỂN PIC 61

H ÌNH 4 10: CẢM BIẾN LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI 61

H ÌNH 4 11: IC SO SÁNH LM393 62

H ÌNH 4 12: CHỨC NĂNG CÁC CHÂN 62

H ÌNH 4 13: MẠCH GHÉP NỐI CẢM BIẾN 63

H ÌNH 4 14: IC L297 64

H ÌNH 4 15: IC L298 THỰC TẾ 66

H ÌNH 4 16: SƠ ĐỒ CHÂN IC L298 66

H ÌNH 4 17: SƠ ĐỒ KHỐI IC L298 67

H ÌNH 4 18: MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 67

H ÌNH 4 19: MẠCH IN ĐỘNG CƠ BƯỚC 68

H ÌNH 4 20: MÔ HÌNH SAU KHI ĐƯỢC CHẾ TẠO 69

Hình 4 21: sân hoạt động của robot đơn giản 69

Tóm t t h ắt hướng thực hiện đề tài ướng thực hiện đề tài ng th c hi n đ tài ực hiện đề tài ệm vụ ề tài.

Nội dung thực hiện đề tài bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tìm hiểu về vi điều khiển PIC và cách xây dựng bản mạch điện tử.Chương 2: Tìm hiểu về động cơ bước, cách điều khiển động cơ bước

Chương 3: Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của robot bám đường tự động.Chương 4: Ứng dụng xây dựng robot đơn giản

Kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài

Ch ương 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC ng 1: T ng quan v vi đi u khi n PIC ổng quan về vi điều khiển PIC ề tài ề tài ểu, hình vẽ:

1.1 Lịch sử phát triển

Năm 1965 hãng Genneral Instrument thành lập ban vi điện tử nhằm tập trungnghiên cứu công nghệ chế tạo bộ nhớ kiểu EPROM và EEPROM, đó là các linh kiệnthu hút nhiều đầu tư của các phòng thí nghiệm bán dẫn Đầu những năm 70 GenneralInstrument cũng chế tạo vi xử lý 16 bit PC1600 Bộ xử lý này khá tốt nhưng có nhượcđiểm là khả năng vào ra không mạnh để thích ứng bộ xử lý PC1600 trong các ứngdụng cần có tính nâng cao Năm 1975 Genneral Instrument thiết kế vi mạch điềukhiển giao tiếp ngoại vi (Peripheral interface controler) viết tắt là PIC, đó là linh kiện

hỗ trợ các tính năng vào ra cho vi xử lý PIC không cần nhiều chức năng vì chỉ xử lýcác công việc vào ra do đó bộ mã lệnh của nó khó nhỏ gọn Những vi điều khiển PICđầu tiên có điểm yếu là chế tạo theo công nghệ n-MOS nên tiêu thụ nhiều năng lượng,

bộ nhớ chương trình là loại ROM mặt nạ chỉ nạp được một lần, do đó chương trìnhđiều khiển được nạp ngay khi chế tạo vi mạch nên chỉ thích hợp với các khách hàngđặt mua với số lượng lớn, để lắp ráp trong sản xuất những sản phẩm cụ thể

Những năm đầu thập ki 80 Genneral Instrument gặp khó khăn trong thương mại

và tổ chức lại Hãng tập trung vào chế tạo linh kiện bán dẫn công suấtt lớn là thế mạnhcho tới hiện nay của hãng Genneral Instrument đã chuyển nhượng Ban vi điện tử vànhà máy tại Chandle, bang Anizona cho các nhà đầu tư Họ lập ra một công ty mới, đặttên là Arizona Microchip technology hiện nay là Microchip technology Inc

Chiến lược của các nhà đầu tư là tập trung vào vi điều khiển và các bộ nhớ bándẫn Các vi mạch PIC n-MOS được cải tiến, chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ mớiCMOS Các sản phẩm đầu tiên của Microchip được biết tới và bán ra với số lượng lớn

là các vi điều khiển PIC thuộc họ PIC16C5x Họ này có hai biến thể với bộ nhớ

chương trình là OTP và UV EPROM Loại OTP có thể nạp trình một lần dùng cho sảnxuất loại lớn Loại UV EPROM có thể xóa được bằng tia cực tím (tia UV) dùng khiphát triển, thử nghiệm phần mềm.

Năm 1983 Microchip là hãng đầu tiên đã tích hợp được bộ nhớ chương trìnhflash EEPROM vào những vi điều khiển mới, trong đó được biết đến nhiều nhất là PIC16C84 và PIC16F84 Bộ nhớ chương trình flash đã loại bỏ vai trò của vi điều khiển có

bộ nhớ xoá bằng tia cực tím, có vỏ bằng gốm đắt tiền và các đèn chiếu tia cực tím

1.2 Phân loại

Tiêu chuẩn để phân nhóm dựa trên sự khác nhau về kiến trúc bộ xử lý bên trong viđiều khiển

- Số các thanh ghi có thể truy cập được

- Có hay không có ngắt , số lượng ngắt

- Số lượng các phần cứng có chức năng đặc biệt

- Rất thích hợp trong các ứng dụng giao diện đơn giản với ngoại vi

- Bộ nhớ chương trình kiểu OTP hoặc EPROM xoá được bằng tia cựctím

- Tốc độ cao, thực hiện được 5 triệu chỉ thị/s với tần số xung nhịp20MHz

- Chỉ có một bộ đếm timer

- Không có các ngắt cứng.

- Không có các lối ra tăng cường

- Nạp trình song song, trừ PIC12C5xx và PIC16C505 được nạp trình nốitiếp theo giao thực ICSP

1.2.2 Họ cấp chung (Mid-range)

Bao gồm 12C6xx, 14C000, 16C55x, 16C6x, 16C62x, 16F62x, 16C67x, 16C8x,16F87x và 16C9xx

- Bộ nhớ chương trình flash ở hầu hết các vi mạch

- Khả năng nạp trình nối tiếp ICSP

- Có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình (self-programming)

- Có phần cứng gỡ rối chương trình ICD ở một số loại

1.2.3 Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx

- Gồm các loại 17Cxxx

- Độ dài từ lệnh 16 bit

- Bố trí các thanh ghi: 224 byte trên một bank, tối đa 8 bank, 48 thanh ghichức năng đặc biệt (SFR)

Đặc điểm chung:

1.2.4 Họ cấp cao (High- performance)

- Gồm những loại có ký hiệu 18Cxxx và 18Fxx2

- Độ dài từ lệnh 16 bit

- Bố trí các thanh ghi 256 byte trên một bank, tối đa có 16 bank

Đặc điểm chung:

những tính năng của các loại cấp trung đồng thời bổ xung các tính năng mới Do

đó dần dần có khả năng thay thế toàn bộ PIC cấp trung

Hiện nay mới nhất là DSPIC với nhiều tính năng vượt trội: Kiến trúc Harvardsửa đổi, 83 lệnh đơn, với chế độ địa chỉ mềm dẻo….

1.3 Ưu thế của PIC

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, PIC, Motorola68HC, AVR, ARM,

Hiện nay, ta thấy PIC có các ưu thế sau:

khá rộng rãi Điều này tạo thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứngdụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thànhcông, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,

trình từ đơn giản đến phức tạp,

Bộ nạp trình cho PIC có thể tự lắp ráp một các dễ dàng với chi phí thấp do PICchủ yếu nạp trình theo chuẩn ICSP (In-Circuit Siral Programming) là phương thức nạptrình nối tiếp: các dữ liệu được nạp vào bộ nhớ chương trình thông qua 2 chân vào/rađược gán là cổng truy nhập đến bộ nhớ chương trình trong quá trình nạp trình Do đónhờ có bộ nhớ flash và nạp trình theo chuẩn ICSP mà những người nghiên cứư và sửdụng PIC đã tiết kiệm được đáng kể chi phí mua các công cụ nạp Với bộ nhớ flash thìthời gian nạp trình cũng được cải thiện đáng kể ( chỉ khoảng vài chục giây) so với UVEPROM (cỡ hơn chục phút)

Microchip cung cấp rất đầy đủ và chi tiết các tài liệu kỹ thuật về tất cả các loại

vi điều khiển PIC Ngoài ra còn cung cấp phần mềm công cụ miễn phí MPLAB-IDE

được đánh giá là tốt nhất so với các công cụ phát triển tương tự của các hãng sản xuất

vi điều khiển khác (các tài liệu công cụ này được cung cấp miễn phí trên

www.microchip.com) Ngoài ra còn có rất nhiều sách viết về PIC và các trang web nói

về vi điều khiển này Tài liệu hỗ trợ cho vi điều khiển PIC chỉ dùng sau máy tính cánhân PC và về doanh số bán ra thi trường hiện nay Microchip đã đứng đầu về doanh

số bán PIC 8 bit, vượt lên trên cả các vi điều khiển của motorola

1.4 Cấu trúc vi điều khiển PIC

Cấu trúc phần cứng của vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng cơ bản là cấu trúcHavard và cấu trúc Von-Neumann Điểm khác biệt giữa hai dạng cấu trúc này là cấutrúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình

+ ROM (Program)

X12(14,16)

Cấu trúc Von- Neumann

Cấu trúc Havard

Hình 1 1: Cấu trúc Von-Neumann và cấu trúc HavardĐối với cấu trúc Von-Neumann, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chungtrong một bộ nhớ do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt giữa bộ nhớ dữliệu và bộ nhớ chương trình Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lý củaCPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tươngtác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình Đối với cấu trúc này, độ dài lệnhluôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu chưa được tổ chức thành từng byte)

Đối với cấu trúc Havard bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành cácthành phần riêng biệt Như vậy, trong cùng một thời điểm CPU có thể truy xuất đến cả

hai bộ nhớ Điều này giúp cho tốc độ xử lý của vi xử lý tăng lên Ngoài ra, tập lệnhtrong cấu trúc Havard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu cấu trúc của vi điều khiển

mà không phụ thuộc cấu trúc dữ liệu Ví dụ, đối với vi điều khiển PIC dòng 16Fxxxthì độ dài lệnh luôn là 14-bit

Tổ chức phần cứng của các dòng vi điều khiển PIC được thiết kế theo cấu trúcHavard Việc được thiết kế theo cấu trúc Havard giúp cho tập lệnh của vi điều khiểnPIC được tối ưu, cấu trúc lệnh không phụ thuộc cấu trúc dữ liệu và có thể linh độngtùy chỉnh theo khả năng và tốc độ của từng vi điều khiển

Bộ nhớ chương trình Flash (Flash Program Memory)

Thanh ghi lệnh (Instruction resister)

Bộ đếm chương trình (Program counter)

Stack

RAM file resisters Address MUX

SFR Thanh ghi trạng thái

Instruction decode

Timing generation

1.5 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC18F4550

1.5.1 Một số đặc điểm của Vi điều khiển PIC18F4550

PIC18F4550 là một vi xử lý cơ bản đa chức năng và rẻ Nó là sản phẩm của họ

vi xử lý PIC thông dụng của công ty Microchip của Mỹ có trụ sở đặt tại Chandler,Arizona (Mỹ)

Hình 1 3: vi điều khiển PIC18F4550

Vi điều khiển PIC18F4550 là loại vi điều khiển 8 bit pic Mcrochip,gồm 40 chân Có khả năng tính toán với tốc độ cao và các ứng dụng trongđiều khiển công suất và điều khiển động cơ Có một số tính năng sau:

Mcrocontrollers Có thể hoạt động với tần số 48 MHz

- Có 35 chân vào/ra

- Có sẵn vỏ bọc gồm DIP-40 nên rất thuận tiện

- Với bộ nhớ, có 32kb Flash lưu trữ chương trình, 2kb bộ nhớ SRAM bayhơi và 256 byte EEPROM (bộ nhớ không bay hơi) để lưu trữ dài hạn dữliệu như cấu hình …

Hình 1 4: giao tiếp USB

Hỗ trợ tinh thể và dao động ký nhiều tần số như đầu vào và bộ cân bằng nên bộ

xử lý có thể hoạt động với tần số 48 MHz của dao động ký độc lập khi kết nối Khi kếtthúc hoạt động thì chỉnh dao động ký được kết nối (thông qua các bit cấu hình) Làmviệc với tốc độ 48 MHz là điều kiện tiên quyết để chuyển sang chế độ toàn tốc nhờcổng USB Vì vậy, driver USB chuyển sang chế độ toàn tốc (1.5 Mbyte/giây) qua USB

và tương thích với chuẩn USB 2.0 Nó cũng có 35 chân vào/ra số chung (xem sơ đồchân ở phần dưới) và có sẵn vỏ bọc gồm DIP-40 nên rất thuận tiện cho nhà phát triển

và những người nghiệp dư quan tâm

Các chỉ thị dài 1 byte với một số ngoại lệ dài 2 byte (CALL, MOVFF, GOTOLSFR) Sử dụng cơ chế đường ống để thực thi mã bằng việc khiến các chỉ thị liên tiếphoạt động trong 4 xung (độ dài xung) và có 4 lần nhảy xung được thêm vào

Các đặc tính đáng chú ý khác là có đồng hồ, ngắt (đồng hồ gắn trong và gắnngoài) với hai mức ưu tiên và dùng cả hai mức như bộ so sánh tương tự kèm theo với

bộ phát điện thế chuẩn có 16 mức (hữu ích khi dùng trigger ở mức phần cứng)

Cuối cùng, CIP cũng có một bộ chuyển đổi tương tự 10 bit nhưng dao động ký

không đủ yêu cầu về tốc độ cao cần thiết Vì vậy, máy phát dao động có tốc độ 48MHz giữa thời gian trễ do truyền tải và các ngắt khác (vòng lặp …) Không thể đạtđược tốc độ lớn hơn 200 kHz.

1.5.2 Sơ đồ chân

Sau đây là sơ đồ chân của PIC18F4550 trong hộp 28-PIN PDIP và DIP-40

Hình 1 5: PIC18F4550 trong hộp 28 chân

Đặc biệt, có thể nhận ra chân D- và D+ từ kết nối USB (chân 23 và 24)

Hình 1 6: PIC18F4550 trong hộp 40 chân

Hình 1 7: sơ đồ khối chức năng các chân của PIC18F4550

Bảng 1: Bảng mô tả các chức năng từng chân của PIC18F4550

AN12 cho lập trình dữ liệu và xung clock vào.

chân OSC1

hoặc bộ cộng hưởng trong chế độ dao độngthạch anh Giống như CKLO trong chế độ RChoặc EC Luôn kết hợp với chân chức năngOSC2

Cổng giao tiếp chuyển đổi dữ liệu đồng bộkhung

Cổng giao tiếp chuyển đổi dữ liệu Clock vào ra nốitiếp

Lối vào dữ liệu nối tiếp

Lối ra dữ liệu nối tiếp

Cổng nhận bus CAN1 Cổng phát bus CAN1

EMUD

EMUC

EMUD1

I/OI/OI/O

Cổng vào ra dữ liệu kênh truyền thông sơ cấp củaICD

Vào ra xung nhịp kênh sơ cấp

Vào ra dữ liệu kênh thứ cấp

Lối ra bộ dao động tinh thể.

PGD

PGC

I/OI

Vào ra dữ liệu của ICSP

Lối vào Clock của ICSP

Vào ra Clock đồng bộ của khối SPI1.

Lối vào dữ liêu của khối SPI1

Lối ra dữ liệu của SPI1

Slaver đồng bộ

SCL

SDA

I/OI/O

Vào ra Clock nối tiếp của I2C

Vào ra Data nối tiếp đồng bộ của I2C

SOSCO

SOSCI

OI

Lối ra bộ dao động tinh thể công suất thấp32Khz

Lối vào bộ dao động 32Khz

T1CK

T2CK

II

Lối vào xung Clock ngoài của Timer1

Lối vào xung Clock ngoài của Timer2

Lối vào Vref+ (cao) thế analog chuẩn

Lối vào Vref- (thấp) thế chuẩn

Ch ương 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC ng 2: Tìm hi u v đ ng c b ểu, hình vẽ: ề tài ộng cơ bước ơng 1: Tổng quan về vi điều khiển PIC ướng thực hiện đề tài c

2.1 Giới thiệu động cơ bước

Hình 2 1: Hình dạng một số loại động cơ bước

Các hệ truyền động rời rạc thường được thưc hiện nhờ động cơ chấp hành đặcbiệt gọi là động cơ bước.

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dung bộchuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửuhoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vậtliệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch phải được điều khiển từ bên ngoài với bộ điềukhiển Và đặc biệt các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữnguyên bất kì vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kì vị trí nào Hầu hết cácđộng cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh,

và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các

vị trí bất kì

Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, đưa các tínhiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và tần số nhất định Tổng số góc quay củaroto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto,phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi mét xung điện áp đặt vàocuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay

đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặtvào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục

Động cơ bước có thể được sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơngiản; những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn người ta vẫn dung hệ điềukhiển vòng kín với động cơ bước nếu một động cơ bước trong hệ thống điều khiểnvòng mở bị quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phảinhận diện lại

2.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại

Động cơ bước cơ bản được chia làm 3 loại:

2.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu cơ bản gồm 3 loại:

- Động cơ bước đơn cực:

Hình 2 2: động cơ bước đơn cựcBao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn, vì vậythông thường trên thực tế, đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra Động cơloại này được điều khiển bằng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn vàtừng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass

- Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar):

Hình 2 3: động cơ bước lưỡng cực

động cơ loại lưỡng cực có cấu trúc giống như động cơ đơn cực, nhưng 2mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm,thường có 4 đầu ra, về cấu tạo đơn giản hơn, nhưng khó cho điều khiển

vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây

- Động cơ bước nhiều pha:

Hình 2 4: động cơ bước nhiều phamột loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thông dụng hơn đó là động

cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng kín vàgiữa mỗi cặp dây có một điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay

đa cực kiểu thông dụng nhất là kiểu 3 pha và 5 pha

2.2.2 Động cơ bước biến trở từ

Hình 2 5: động cơ bước biến trở từ

Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu đầu chung đượcnối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor Mỗicuộn dây sẽ được quấn trên hai cực đối xứng nhau Vì vậy giả sử khi cấp điện cho cực

1 (stato), rotor sẽ quay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1, cắt điện cuộn số 1,tiếp tục cấp điện cho cuộn 2, rotor sẽ quay tiếp răng (Y) cho thẳng với cực 2 Cứ nhưvậy điều khiển quay rotor

2.2.3 Động cơ bước lai (động cơ hỗn hợp).

Hình 2 6: Động cơ kiểu hỗn hợp

Là loại kết hợp giữa động cơ bước có từ thông thay đổi và loại nam châm vĩnhcửu, rotor cho động cơ bước lai có nhiều răng, giống như loại từ thông thay đổi, chứalõi từ hóa tròn đồng tâm, xoay quanh trục của nó Răng của rotor tạo đường dẫn, giúpđịnh hướng cho từ thông ưu tiên vào trong lỗ không khí Động cơ bước lai được láigiống như động cơ bước đơn cực và lưỡng cực.

Trong khi động cơ 1 chiều không tiếp xúc có roto thường là một nam châmvĩnh cửu (số đôi cực 2p = 2) và cần có cảm biến vị trí roto thì động cơ bước có rotodạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau

để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí roto Động cơbước vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên roto quaytheo các bước Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơbước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả roto và stato đều cócác răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện Nhưng động cơ đồng bộgiảm tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, cònđộng cơ bước thì không cần yếu tố này

Mặt khác có thể coi động cơ bước là linh kiện số mà ở đó các thông tin số hóa

đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽthực hiện trung thành các lệnh đã số hóa này

Hình 2 - : mô hình mã hóa động cơ bước

2.2 Nguyên lí hoạt động

Roto động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằngphương pháp tần số Roto của động cơ bước có thể được kích thích (roto tích cực)hoặc không được kích thích (roto thụ đông)

Xung điện áp cấp cho mỗi cuộn dây stato có thể là xung 1 cực hoặc xung 2 cực.Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theotừng cuộn dây riêng lẻ, hoặc theo từng nhóm các cuộn dây Trị số và chiều của lựcđiện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của roto trong không gian hoàn toàn phụthuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây

Thực tế để tăng cường lực điện rừ tổng của stato và do đó tăng từ thông vàmômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây,lúc đó roto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vector lực điện

từ tổng F đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phầncủa các cuộn dây stato

Khi cấp điện cho một số chẵn cuộn dây hoặc cho một số lẻ cuộn dây roto củađộng cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng góc xê dịch giữa 2 vị trí liên tiếp của roto bằng

Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây, cónghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻsang chẵn thì số vị trí cân bằng của roto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m độ lớn của 1 bước

K = m.n1.n2.p

Trong đó:

- p là số đôi cực của roto

- m: số cuộn dây điều khiển trên stato

- n1=1: ứng với điều khiển đối xứng

- n1=2: ứng với điều khiển không đối xứng

- n2=1: điều khiển bằng xung 1 cực

- n2=2: điều khiển bằng xung 2 cực

2.3 Momen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước

Biểu thức momen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác với biểu thức momenđồng bộ của động cơ đồng bộ thường có cùng cấu trúc Sự khác nhau đó là do động cơbước được cấp bởi dòng diện 1 chiều chứ không phải dòng xoay chiều

Trong động cơ được cấp bởi nguồn 1 chiều, sau quá trình quá độ dòng điệntrong các cuộn stato không thay đổi và bằng const

2.4 Cấu tạo động cơ bước

Để tăng số bước của động cơ (tăng độ phân giải về góc), ta cần phải tăng lượngcuộn dây pha m và tăng số cặp cực p

Việc tăng số lượng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế về kíchthước của stato và những trở ngại khi đặt các dây cuốn vào các vào các rãnh nửa hởcủa stato, đồng thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng sẽ phứ tạp hơn Do đóngười ta thường làm các động cơ bước với số lượng pha m đủ nhỏ là 2 pha, 4 pha hay

5 pha, trong đó thông dụng nhất là 2 pha va 4 pha

Việc tăng số bước của động cơ được giải quyết bằng tăng số lượng cặp cựcroto Roto động cơ bước tạo thành nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kĩ thuật đặcbiệt có độ từ hóa cao và momen chịu tải lớn, vì chính roto là bộ phận chịu tải trọng cơkhí thông qua trục của nó

Xét về cấu tạo, động cơ bước có 3 loại chính:

- Động cơ bước có roto được kích thích (có dây quấn kích thích hoặc kíchthích bằng nam châm vĩnh cửu)

- Động cơ bước có roto không được kích thích (động cơ kiểu cảm ứng vàđộng cơ kiểu phản kháng)

- Động cơ bước kiểu hỗn hợp (kết hợp của cả 2 loại trên)

2.5 Cơ sở lí thuyết điều khiển động cơ bước.

2.5.1 Ba chế độ (mode) điều khiển đông cơ bước

- Chế độ cả bước

- Chế độ nửa bước.

- Chế độ điều khiển vi bước

2.5.1.1 Điều khiển chế độ cả bước (full step)

Điều khiển chế độ cả bước gồm:

Hình 2 7: điều khiển cả bước 1 pha

Hình 2 8: giản đồ xung 1 pha

Hình 2 9: điều khiển cả bước 2 pha

Hình 2 10: giản đồ xung 2 pha

2.5.1.2 Điều khiển chế độ nửa bước (half step)

Hình 2 11: điều khiển chế độ nửa bước

Hình 2 12: giản đồ xung nửa bước

Hình 2 13: mạch điều khiển động cơ đơn cực

Hình 2 14: mạch điều khiển

Điều khiển chiều quay động cơ:

động cơ sẽ quay phải, nếu dịch bước từ phải qua trái thì động cơ sẽ quaytrái

Chip L298 cũng có thể dung điều khiển động cơ có dòng qua cuộn dây chừng2A Để nâng dòng nên chừng 4A, ta mắc song song 2 đầu ra như hình bên phải

Chú ý khi sử dụng chip này là tốc độ sử lí rất nhanh, đến mức diode loại thườngnhư 1N4007 không kịp dẫn, vì vậy phải dung diode nhanh hơn

Tương đương với L298 có LMD18200 của National semiconductor

Lựa chọn động cơ bước