Luận văn tốt nghiệp Điều khiển động cơ bước bằng máy tính

Dựa trên tài liệu và thiết bị điều khiển, đặt biệt máy khoan có sẵn cũng như phần mềm điều khiển được dịch từ tài liệu PAL_EL... để viết chương trình ứng dụng thực tế đơn giản nhằm góp phần phong phú thêm cho việc hiểu biết về lĩnh vực này, đồng thời có thể mở rộng và định hướng cho những đề tài sau

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I _ KHÁI QUÁT VẤN ĐỀ

Hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính điện tử là một tập hợp các thiết bị và phụ kiện liên quan Để nắm được hết các nguyên lý hoạt động và cấu tạo của chúng rõ ràng là một vệc không đơn giản Thậm chí ngay cả tên gọi của một số bộ phận trong hệ thống cũng gây phiền hà cho người sử dụng Trước những tiến bộ như vũ bảo của ngành công nghiệp ngày nay và nhu cầu ứng dụng máy tính vào mọi lĩnh vực, hệ thống điều khiển tự động ngày càng được phát triển một cách hoàn hảo và có độ chính xác cao

Hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính được thực hiện cũng giống như các loại giao tiếp khác Dữ liệu được chứa trong bộ nhớ của máy tính, sau đó được xuất ra qua cổng giao tiếp nối tiếp đưa đến máy khoan để điều khiển động cơ định vị đúng vị trí cần khoan, và cứ thế hết vị trí này đến vị trí khác đến khi nào mà máy tính gởi lệnh dừng thì động cơ không hoạt động nữa Khi ấy hệ thống khoan mạch

in hoàn thành

II_ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Do thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài chỉ giới hạn trong vòng 6 tuần, với vốn kiến thức và việc tìm hiểu về hệ thống điều khiển và cơ cấu cấu tạo, cũng như các bộ phận chi tiết trong hệ thống điều khiển còn hạn chế, luận văn này chỉ thực hiện trong phạm vi ứng dụng phần mềm Pal-El để khoan mạch in bao gồm các phần sau:

Phần I : Cơ sở lý thuyết về giao tiếp

Giao tiếp với máy tính Giới thiệu về chuẩn RS-232

Phần II : Các khái niệm về máy điều khiển theo chương trình số

Đại cương về điều khiển theo chương trình số Truyền động bằng động cơ bước

Phần III : Phần mềm

Ứng dụng phần mềm PAL-El để khoan mạch in

Trang 4

III _ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Dựa trên tài liệu và thiết bị điều khiển, đặt biệt máy khoan có sẵn, cũng như phần mền điều khiển được dịch từ tài liệu PAL_EP … để viết một chương trình ứng dụng thực tế đơn giản nhằm góp phần phong phú thêm cho việc hiểu biết về lĩnh vực này đồng thời có thể mở rộng và định hướng cho những đề tài sau

CHƯƠNG I

GIAO TIẾP MÁY TÍNH

I _ CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÁY TÍNH

Trải qua một thời gian dài từ phát minh đầu tiên ra máy tính cho đến nay, máy tính đã không ngừng nâng cao và phát triển qua nhiều thế hệ Tuy nhiên hầu hết máy tính đang phổ biến hiện nay đều có nguồn gốc xuất phát từ họ PC (Personal Computer) Đầu tiên là kiểu máy PCXT do hãng IBM chế tạo với bộ xử lý (CPU) 8088 của hãng Intel Đây là hệ thống xử lý dữ liệu 16 bit nhưng dùng bus dữ liệu 8 bit

Tiếp theo đó là máy AT ra đời với bộ xử lý 80286 có tính năng hơn hẳn chip 8088 của máy PC XT Nó có khả năng tạo ra bộ nhớ ảo, đa nhiệm vụ, tốc độ nhanh, độ tin cậy cao và dùng bus dữ liệu 16 bit Đa nhiệm (Multitasking) là khả năng thực hiện một lúc nhiều nhiệm vụ:

- Vừa in một tài liệu

- Vừa tính toán một phép tính

Công việc này thực hiện được nhờ hoán chuyển nhanh theo sự theo dõi của CPU đến các chương trình mà nó đang nắm quyền điều khiển Việc này được thực hiện ngay bên trong CPU cộng với một vài giúp đỡ của hệ điều hành.Bộ nhớ ảo (Virtull Memory) cho phép máy tính làm việc với một bộ nhớ dường như lớn hơn nhiều so với bộ nhớ vật lý hiện có: Công việc này thực hiện được nhờ một phần mềm và sự thiết kế phần cứng cực kỳ tinh xảo

Ngày nay các máy AT 386, 486, Pentium dùng chip CPU lần lượt là

80386, 80486, P5 là kết quả của trình độ kỹ thuật và công nghệ hiện đại Chương trình một bộ nhớ lớn hơn tổ tiên là : 8088 hay 80286 cùng với nhiều chức năng mới, thêm nữa là tốc độ vi xử lý không ngừng được nâng cao độ rộng của data bus cũng mở rộng lên 32bit rồi 64 bit với Pentium

II _ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO RA:

1 Vào ra điều khiển bằng chương trình:

Thiết bị ngoai vi điều ghép với Bus hệ thống vi xử lý thông qua các phần thích ứng về công nghệ chế tạo và logic Thích ứng về công nghệ chế tạo là điều chỉnh mức công nghệ sản xuất thiết bị ngoại vi và công nghệ

Trang 6

sản xuất của mạch trong hệ vi xử lý Thích ứng về Logic là nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển ngoại vi tín hiệu trên bus hệ thống

Trong hệ vi xử lý một vùng nhớ dùng làm nơi chứa địa chỉ cổng vào

ra và CPU xuất hoặc nhập dữ liệu từ các cổng vào ra này các lệnh xuất nhập In/Out Lúc này cổng vào ra được xem như thanh ghi ngoài, chúng được viết vào hoặc đọc ra như ô nhớ Ram qua hai lệnh trên Để phân biệt hướng xuất hoặc nhập dữ liệu từ cổng vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển đọc hoặc viết Để phân biệt vùng nhớ với thiết bị vào ra CPU phát

ra tín hiệu điều khiển IO/M Khi có các lệnh này thì các lệnh In/Out mới có tác dụng

Ngoài các lệnh qui chiếu bộ nhớ, cũng như khả năng trao đổi dữ liệu giữa thiết bị ngoại vi và hệ vi xử lý Lúc đó vào ra được gán như một địa chỉ ô nhớ của bộ nhớ Các thanh ghi liên quan tới cổng vào ra được xem như ngăn nhớ Khi bộ vi xử lý gọi địa chỉ và xung điều khiển đọc hay viết bộ nhớ không cần xác định nơi gởi là bộ nhớ hay thiết bị vào ra Nó chỉ hỏi nơi gởi dữ liệu vào trong khoảng thời gian cho phép Bộ logic bên ngoài sẽ giải mã địa chỉ kết hợp với xung MR, MW, để chọn thiết bị mà không phân biệt ngăn nhớ hay thiết bị vào ra

2 Vào ra điều khiển bằng ngắt:

Với phương pháp điều khiển vào ra bằng chương trình, CPU phải liên tục kiểm tra trạng thái của thiết bị ngoại vi đến khi sẵn sàng, đó là sự lãng phí thời gian của CPU và chương trình dài và phức tạp Khi bộ vi xử lý có nhiều thiết bị ngoại vi CPU không đáp ứng yêu cầu của chúng Có thể đáp ứng yêu cầu ngoại vi nhanh chóng và không theo trình tự như định trước nhờ cơ cấu ngắt CPU

Nhờ tính chất đáp ứng tức thời của vi xử lý khi có yêu cầu ngắt từ thiết bị ngoại vi do đó các ngắt thường được dùng ở những trường hợp yêu cầu đap ứng nhanh, thời gian trả lời ngắn, thực hiện ở bất kỳ thời điểm nào Khi đó CPU phải chuyển đến chương trình con, yêu cầu ngắt ở cuối bất kỳ lệnh nào trong chương trình chính Các chương trình con phục vụ ngắt có thể lưu trữ nội dung các thanh ghi và khôi phục lại khi thực hiện xong chương trình phục vụ ngắt và trước khi trở lại chương trình chính

Giao tiếp với maý tính là trao đổi dữ kiện giữa một máy tính với một hay nhiều thiết bị ngoại vi

Theo tiêu chuẩn sản xuất, máy tính giao tiếp với người sử dụng bằng hai thiết bị:

- Bàn phím để nhập dữ liệu

- Màn hình để hiển thị

Ngoài ra nhà sản xuất cho ta nhiều cách giao tiếp khác thông qua các port như là các ngõ giao tiếp:

- Giao tiếp qua port com (nối tiếp)

- Giao tiếp qua port Parallel(song song)

Tùy theo trường hợp ứng dụng cụ thể mà chọn cách giao tiếp thích hợp

III _ PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP

1 Giao tiếp với máy tính thông qua slot card:

Bên trong máy tính, ngoài những khe cắm dùng cho card vào - ra, card màn hình, vẫn còn những rãnh cắm để trống Để giao tiếp với máy tính, ta có thể thiết kế card mở rộng để gắn vào khe cắm mở rộng này Ở máy tính PC/XT rãnh cắm chỉ có 1 loại với độ rộng 8 bit và tuân theo tiêu chuẩn ISA (Industry Standard Architecture) Rãnh cắm theo tiêu chuẩn IS có 62 đường tín hiệu, qua các đường tín hiệu này máy tính có thể giao tiếp dễ dàng với thiết bị bên ngoài thông qua card mở rộng

Trên rãnh cắm mở rộng, ngoài 20 đường địa chỉ, 8 đường dữ liệu, còn có một số đường điều khiển như: RESET , IOR, IOW, AEN, CLK, Do đó card giao tiếp với máy tính qua slot card đơn giản, số bit có thể tăng dễ dàng, giảm được nhiều linh kiện, tốc độ truyền dữ liệu nhanh (truyền song song) Tuy nhiên, do khe cắm nằm bên trong máy tính nên khi muốn gắn card giao tiếp vào thì phải mở nắp ra, điều này gây bất tiện cho người sử dụng

2 Giao tiếp qua Serial Port (Port COM) :

IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2 Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232 Chúng có thể được nối với một Modem để dùng cho mạng điện thoại, hay nối trực tiếp với một máy tính khác Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cách nối tiếp, nghĩa là dữ liệu được gởi

đi nối tiếp nhau trên 1 đường dây Do các dữ liệu được truyền đi từng bit một nên tốc độ truyền chậm, các tốc độ truyền có thể là 300, 600, 1200,

2400, 4800bps, 9600bps, chiều dài dữ liệu có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit và kết hợp với các bit Start, Stop, Parity tạo thành một khung (frame) Ngoài

ra cổng này còn có các điều khiển thu (Receive), phát (Trans), kiểm tra

Trang 8

Cách giao tiếp này cho phép khoảng cách truyền dữ liệu xa, tuy nhiên tốc độ truyền rất chậm tốc độ tối đa là 20kbps

3 Giao tiếp qua cổng PRINT (Cổng máy in):

IBM PC cho phép sử dụng đến 3 cổng song song có tên là LP1, LP2 và LP3 Kiểu giao tiếp song song được dùng để truyền dữ liệu giữa máy tính và máy in Khác với cách giao tiếp qua Port Com, ở cách giao tiếp này dữ liệu được truyền song song cùng một lúc 8 bit Vì thế nó có thể đạt tốc độ cao Connector của Port này có 25 chân bao gồm 8 chân dữ liệu và các đường tín hiệu bắt tay (Handshaking ) Tất cả các đường Data và tín hiệu điều khiển đều ở mức logic hoàn toàn tương thích với mức TTL Hơn nữa, người lập trình có thể điều khiển cho phép hoặc không cho phép các tín hiệu tạo Interrupt từ ngõ vào nên việc giao tiếp đơn giản và dễ dàng Tuy nhiên, giao tiếp với mức logic TTL nên khoảng cách truyền bị hạn chế so với cách truyền qua Port Com, đồng thời cáp truyền cũng phức tạp hơn Đó là nhược điểm của cách giao tiếp này

CHƯƠNG II

GIỚI THIỆU CHUẨN RS-232C

Vào năm 1960, cùng với sự phát triển mạnh của các thiết bị đầu cuối máy tính chia sẻ thời gian, các Modem đã được tung ra ngày càng nhiều nhằm đảm bảo cho các thiết bị đầu cuối có thể dùng các đường điện thoại để thông tin giữa các máy tính với nhau ở những khoảng cách xa Modem và các thiêt bị được dùng để gửi số liệu nối tiếp thường được gọi là thiết bị thông tin số liệu DCE (Datommunication Equipment) Các thiết bị đầu cuối hoặc máy tính đang gửi hay nhận số liệu được gọi là các thiết bị đầu số liệu DTE (Data Terminal Equipment) Nhằm đáp ứng với nhu cầu về tín hiệu và các chuẩn bắt tay (handshake standards) giữa DTE và DCE, hiệp hội kỹ thuật điện tử EIA đã đưa ra chuẩn RS-232C Chuẩn này mô tả chức năng 25 chân tín hiệu và bắt tay cho việc chuyển dữ liệu nối tiếp Nó cũng mô tả các mức điện áp, trở kháng, tốc độ truyền cực đại và điện dung cực đại cho các đường tín hiệu này

RS-232 ấn định 25 chân tín hiệu, và quy định các đầu nối DTE phải là male (đực) và các đầu nối DCE phải là female (cái) Một loại đầu nối đặc biệt không được cho, nhưng thường dùng nhiều nhất là đầu nối mele DB-25P (hình 2-1) Ngoài ra, đối với nhiều hệ thống còn dùng loại 9 chân như loại DE-9P mele (hình 2-2)

Hình 2-1 Hình 2-2

Được EIA đưa vào năm 1969 để truyền dữ liệu nối tiếp và tín hiệu điều khiển giữa Modem và thiết bị đầu cuối (hoặc máy tính) với tốc độ truyền tối đa là 20kbps ở cự ly khoảng 15m đây là một dạng giao tiếp loại TTL + bộ kích đường dây không cân bằng

Trang 10

Việc mô tả chuẩn này được chia làm ba phần: Các đặc điểm kỹ thuật về điện, mô tả các đường dữ liệu điều khiển và sử dụng bộ kết nối chân ra

I _ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VỀ ĐIỆN CỦA RS232C

COMMON NAME

RS232C NAME

SIGNAL DIRECTION

IN OUT

ĐB

- OUT OUT

IN OUT

DA

OUT OUT IN/OUT

IN

-

Hình 2-3 Qui định về chân của RS232C

Mức điện áp logic của RS-232C là khoảng điện áp giữa +15V và –15V Các đường dữ liệu sử dụng mức logic âm: logic 1 có điện thế giữa –5V và –15V, logic 0 có điện thế giữa +5V và +15V tuy nhiên các đường điền khiển (ngoại trừ đường TDATA và RDATA) sử dụng logic dương: gía trị TRUE = +5V đến +15V và FALSE =-5V đến –15

Ở chuẩn giao tiếp này, giữa ngõ ra bộ kích phát và ngõ vào bộ thu có mức nhiễu được giới hạn là 2V Do vậy ngưỡng lớn nhất của ngõ vào là

±3V trái lại mức ± 5V là ngưỡng nhỏ nhất với ngõ ra Ngõ ra bộ kích phát khi không tải có điện áp là ± 25V

 Các đặc điểm về điện khác bao gồm

 RL (điện trở tải) được nhìn từ bộ kích phát có giá trị từ 3 ÷ 7kΩ

 CL (điện dung tải) được nhìn từ bộ kích phát không được vượt quá 2500pF

 Để ngăn cản sự dao động quá mức, tốc độ thay đổi (Slew rate ) của điện áp không được vượt qúa 30V/µs

Đối với các đường điều khiển, thời gian chuyển của tín hiệu (từ TRUE sang FALSE, hoặc từ FALSE sang TRUE ) không được vượt qúa 1ms Đối với các đường dữ liệu, thời gian chuyển (từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1) phải không vượt qúa 4% thời gian của 1 bit hoặc 1ms

II _ CÁC ĐƯỜNG DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA

RS232

- TxD: Dữ liệu được truyền đi từ Modem trên mạng điện thoại

- RxD: Dữ liệu được thu bởi Modem trên mạng điện thoại

 Các đường báo thiết bị sẵn sàng:

- DSR : Để báo rằng Modem đã sẵn sàng

- DTR : Để báo rằng thiết bị đầu cuối đã sẵn sàng

- Các đường bắt tay bán song công

- RTS : Để báo rằng thiết bị đầu cuối yêu cầu phát dữ liệu

Trang 12

- CTS : Modem đáp ứng nhu cầu cần gửi dữ liệu của thiết bị đầu cuối cho thiết bị đầu cuối có thể sử dụng kênh truyền dữ liệu Các đường trạng thái sóng mang và tín hiệu điện thoại:

- CD : Modem báo cho thiết bị đầu cuối biết rằng đã nhận được một sóng mang hợp lệ từ mạng điện thoại

- RI : Các Modem tự động trả lời báo rằng đã phát hiện chuông từ mạng điện thoạïi địa chỉ đầu tiên có thể tới được của cổng nối tiếp được gọi là địa chỉ cơ bản (Basic Address) Các địa chỉ ghi tiếp theo được đặt tới bằng việc cộng thêm số thanh ghi đã gặp của bộ UART vào địa chỉ cơ bản

- Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đường dẫn TxD và thông thường nằm trong khoảng –12 đến +12 Các bit dữ liệu được gửi đảo ngược lại Mức điện áp đối với mức High nằm giữa –3V và –12V và mức Low nằm giữa +3V và +12V Trên hình 2-4 mô tả một dòng dữ liệu điển hình của một byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS-232C

- Ở trạng thái tĩnh trên đường dẫn có điện áp –12V Một bit khởi động (Starbit) sẽ mở đầu việc truyền dữ liệu Tiếp đó là các bit dữ liệu riêng lẻ sẽ đến, trong đó các bit giá trị thấp sẽ được gửi trước tiên Còn số của các bit thay đổi giữa 5 và 8 Ở cuối của dòng dữ liệu còn có một bit dừng (Stopbit) để đặt trở lại trạng thái ngõ ra (-12V).

Địa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp của máy tính PC có thể tóm tắt trong bảng các địa chỉ sau:

D0 D1 D3 D4 D5

D5

D6 D5

D7 D5

Stopbit Starbit

1.04ms

Hình 2-4: Dòng dữ liệu trên cổng RS 232 với tốc độ

9.600 baud

COM 1 (cổng nối tiếp thứ nhất) Địa chỉ cơ bản = 3F8(Hex)

COM 2 (cổng nối tiếp thứ hai) Địa chỉ cơ bản = 2F8(Hex)

COM 3 (cổng nối tiếp thứ ba) Địa chỉ cơ bản = 3E8(Hex)

COM 4 (cổng nối tiếp thứ tư) Địa chỉ cơ bản = 2E8(Hex)

Cũng như ở cổng máy in, các đường dẫn tín hiệu riêng biệt cũng cho phép trao đổi qua các địa chỉ trong máy tính PC Trong trường hợp này, người ta thường sử dụng những vi mạch có mức độ tích hợp cao để có thể hợp nhất nhiều chức năng trên một chip Ở máy tính PC thường có một bộ phát/nhận không đồng bộ vạn năng (gọi tắt là UART: Universal Asnchronous Receiver/ Transmitter) để điều khiển sự trao đổi thông tin giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Phổ biến nhất là vi mạch 8250 của hãng NSC hoặc các thế hệ tiếp theo

Thông thường với các yêu cầu ứng dụng tốc độ thấp người ta giao tiếp qua ngõ nối tiếp, nó giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232C và dùng để giao tiếp giữa máy tính với Modem hoặc Mouse Ngoài ra cũng có thể dùng giao tiếp với printer hay plotter nhưng không thông dụng lắm bởi tốc độ truyền quá chậm Đối với máy AT cho ta hai ngõ giao tiếp COM1 và COM2 Trong một số card I/O ta có thể có đến 4 cổng COM

Để giao tiếp nối tiếp với 2 ngõ COM này Bus hệ thống của CPU (Data Bus và Address Bus) hãng IBM sử dụng hai Chip lập trình của Intel là 8250 UART (Universal Asynchronus Receiver Transmitter) Địa chỉ theo bộ nhớ của hai Chip này là 0040:0000 cho UART của ngõ COM1 và 0040:0002 cho UART của ngõ COM2 (Địa chỉ logic do hệ điều hành chỉ định) và địa chỉ theo Port để truy xuất khi sử dụng là 3F8-3FF cho COM1 và 2F8-2FF cho COM2

Dữ liệu truyền qua cho Port COM dưới dạng nối tiếp từng Bit một, đơn vị dữ liệu có thể là 5 Bit, 6 Bit hay 1 byte tùy theo sự cài đặt lúc khởi tạo Port COM Ngoài ra để truyền dữ liệu qua Port COM còn cần những tham số sau: Bit mở đầu cho một đơn vị dữ liệu START Bit STOP Bit (Bit kết thúc) Parity (Kiểm tra chẵn lẻ) Baud Rate (Tốc độ truyền) tạo thành một Frame (Khung truyền)

Port COM là một thể khởi tạo bằng BIOS thông qua chức năng 0 của Interrupt 14, nạp vào thanh ghi DX1 chỉ số chọn kênh (COM1 = 0, COM2 = 1) Thanh ghi AL được nạp vào các tham số của việc truyền dữ liệu

A L D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Trang 14

 Bit D0 D1 : Cho biết độ rộng của dữ liệu

0 0 : Dữ liệu có độ rộng 5 Bit

0 1 : Dữ liệu có độ rộng 6 Bit

1 0 : Dữ liệu có độ rộng 7 Bit

1 1 : Dữ liệu có độ rộng 8 Bit

 Bit D2 : Cho biết số Stop Bit

0 : Sử dụng một bit Stop

1 : Sử dụng hai bit Stop

 Bit D3 D4 : Các Bit parity (chẵn lẻ)

0 0 : Không kiểm tra tính Parity

1 1 : Không kiểm tra tính Parity

0 1 : Odd (lẻ)

1 0 : Even (chẵn)

 Bit D5 D6D7 : Cho biết tốc độ truyền (Baud Rate)

0 0 0 : Tốc độ truyền 110bps (bit per second)

0 0 1 : Tốc độ truyền 150bps (bit per second)

0 1 0 : Tốc độ truyền 300bps (bit per second)

0 1 1 : Tốc độ truyền 600bps (bit per second)

1 0 0 : Tốc độ truyền 1200bps (bit per second)

1 0 1 : Tốc độ truyền 2400bps (bit per second)

1 1 0 : Tốc độ truyền 4800bps (bit per second)

1 1 1 : Tốc độ truyền 9600bps (bit per second)

III _ MODEM RỖNG CỦA RS232C

Mặc dù chuẩn RS_232C của EIA được dành riêng để áp dụng kết nối giữa Modem với thiết bị đầu cuối, nhưng một thuê bao của RS_232C cũng thường được sử dụng khi hai thiết bị đầu cuối được nối với nhau, hoặc một máy tính và một máy in mà không sử dụng các Modem

Trong những trường hợp như vậy, các đường TxD và RxD phải được đặt chéo nhau và các đường điều khiển cần thiết phải được đặt ở TRUE hoặc phải được tráo đổi thích hợp bên trong cáp kết nối Sự nối lắp cáp của RS232C mà có sự tráo đổi đường dây được gọi là Modem rỗng (null Modem)

Cáp như vậy thích hợp để nối trực tiếp 2 thiết bị DTE qua các port RS232C Hai sơ đồ có thể kết nối lẫn nhau được trình bày trong hính 2-5 và hình 2-6 chú ý rằng trong trường hợp đơn giản nhất chỉ cần kết nối 4 dây lẫn nhau, trong thực tế 2 đường dây đất (SIG GND 0 và CHAS GND) thường được kết hợp lại, mặc dù điều này không được đề cập tới

IV _ CÁC IC KÍCH PHÁT VÀ THU CỦA RS232C

Nhờ tính phổ biến của giao tiếp, người ta đã chế tạo các IC kích phát và thu Hai vi mạch như vậy được Motorola sản xuất là IC kích phát MC

1488 có dạng vỏ vuông Và MC 1489.Mỗi IC kích phát 1488 nhận một tín hiệu mức TTL và chuyển thành tín hiệu ở ngõ ra tương thích với mức điện áp của RS232C IC 1489 phát hiện các mức vào của RS232C và chuyển chúng thành các ngõ ra có mức TTL

V _ MINH HỌA THÔNG TIN NỐI TIẾP BẤT ĐỒNG BỘ

Đối với các máy PC, các cổng liên lạc nối tiếp (serial port) còn được gọi là các cổng COM Hoàn toàn có thể sử dụng các cổng này để kết nối máy PC với các máy tính khác, với các Modem, các máy in, máy vẽ, các thiết bị điều khiển, mouse, mạng …

Tất cả các máy tính PC có khả năng làm việc tối đa là 4 cổng nối tiếp khi sử dụng các card giao tiếp I/O chuẩn Các cổng nối tiếp thường được thiết kế theo các qui định RS-232 theo các yêu cầu về điện và về tín hiệu BIOS chỉ hỗ trợ các cổng nối tiếp RS-232C Còn các chuẩn khác như: RS-422, BiSync, SDLC, IEEE-488 (GPIB),… cần phải có các trình điều khiển thiết bị bổ sung để hỗ trợ.

Trang 16

Tốc độ tối độ của cổng nối tiếp tùy thuộc vào bộ phát tốc độ Baud trong card giao tiếp cổng nối tiếp, phần mềm BIOS, và hệ thống có thể thực hiện chương trình BIOS nối tiếp nhanh đến mức nào Ngoài ra, nếu hệ thống đang xử lý chương trình khác có độ ưu tiên cao hơn thì tốc độ tin cậy có thể bị suy giảm đáng kể

Hoạt động của cổng nối tiếp chủ yếu cũng được xử lý bởi 1 chip UART Các thiết kế ban đầu đã sử dụng một chip NS-8250 Các thiết bị sau này chuyển sang một phiên bản CMOS, chip 1650, có chức năng hoạt động giống như 8250 Một số thiết bị mới sử dụng chip 16550 hay các biến thể khác nhằm bổ sung thêm việc đệm dữ liệu để giảm bớt gánh nặng cho CPU

Một phần của BIOS hệ thống (ngắt 14 h) cung cấp các dịch vụ để liên lạc với các card giao tiếp nối tiếp

Giống như các cổng song song, POST (Power on Self Test- chương trình của BIOS tự kiểm tra cấu hình hệ thống khi bật máy) kiểm tra xem liệu một cổng nối tiếp có được gắn vào hệ thống không, và ghi lại các địa chỉ I/O của các cổng hoạt động trong vùng dữ liệu của BIOS Tất cả các hệ thống đến 4 cổng nối tiếp, BIOS không hỗ trợ các cổng bổ sung thêm khác

Để truy suất phần cứng của một cổng nối tiếp, cần đọc một trong 4 từ (word) trong vùng dữ liệu BIOS chứa địa chỉ I/O cơ sở đối với 4 cổng nối tiếp có thể có

3 3

RxD

DSR DTR

RxD

DTE B DTE A

20

DSR

HÌNH 2-5

Ví dụ: Để truy suất cổng nối tiếp số 2, trước tiên phải đọc địa chỉ cổng I/O cơ sở từ vùng dữ liệu BIOS Điều này có nghĩa là một côûng nối tiếp không có địa chỉ cổng I/O cố định

a Lưạ chọn cổng COM

Mỗi cổng nối tiếp sử dụng 8 byte của bộ nhớ máy PC và một ngắt phần cứng đặc biệt Việc sử dụng các địa chỉ bộ nhớ và ngăùt phần cứng này là điều quan trọng đối với người lập các chương trình liên lạc và các chương trình điều khiển thiết bị đối với các thiết bị nối tiếp

Bảng sau mô tả các địa chỉ bộ nhớ và các ngắt phần cứng đối với 4 cổng nối tiếp chuẩn cho các máy tính tương thích với máy tính PC Thông tin quan trọng nhất ở đây là địa chỉ cơ sở, là địa chỉ bộ nhớ đầu tiên trong mỗi cổng COM (vùng đệm phát/thu – Transmit/ Receive Buffer) địa chỉ của đường yêu cầu ngắt (IRQ) đối với mỗi cổng

Một thiết bị nối tiếp chỉ có thể sử dụng một địa chỉ cổng COM Khi cài đặt một Modem nội trong máy PC, hay bất kỳ thiết bị nào khác sử dụng cổng nối tiếp cho giao diện của nó, trước tiên phải đảm bảo rằng đã xác lập nó đối với một cổng COM (bao gồm địa chỉ và số IRQ)

2 TxD TxD 2

3 3

4 RTS RTS 4

6 6

RxD

DSR DTR

RxD

DTE B DTE A

20

20 DTRDSR

CTS

(optional) HÌNH 2-6

3EA 3EB 3EC 3ED 3EE

IRQ3 2E8 2E9

2EA 2EB 2EC 2ED 2EE

Interrupt Request Line Transmit/Receive Buffer và LSB of the Divisor Latch

Interrupt Enable Register và MSB of the Divisor Latch

Interrupt Identification Registers Line Control Register

Modem Control Register Line Status Register Modem Status Register

b Hoạt động của cổng nối tiếp

 Sự khởi động của BIOS

Sau khi bật máy (hay Reset máy), chương trình POST kiểm tra xem liệu có bất kỳ cổng nối tiếp nào được cài đặt hay không POST khảo sát nhóm cổng I/O: 3F8  3FEh Để phát hiện một cổng hoạt động, thanh ghi IIR (Interrupt Identification Register) được đọc từ cổng 3FAh hay 2FAh Nếu tất cả các bit từ 3  7 của thanh ghi IIR đều là 0, thì POST xem như cổng nối tiếp có hoạt động

Một khi đã xác định được nhóm cổng I/O nối tiếp có hoạt động, địa chỉ cổng I/O cơ sở được lưu trữ trong vị trí BIOS RAM cổng nối tiếp chưa sử dụng thấp nhất Có 4 từ được dành trong RAM bắt đầu tại địa chỉ 40:0h để chứa địa chỉ I/O của cổng nối tiếp có hoạt động Nhiều POST của các hãng cung cấp máy sẽ không bao giờ kiểm tra các cổng COM3 và COM4,

vì IPM không định nghĩa một địa chỉ cổng chuẩn cho các cổng này

Nói chung, hầu hết các hệ thống chỉ kiểm tra có 2 cổng Tuy nhiên, các hệ thống cùng họ mới hơn thường kiểm tra 4 địa chỉ cổng có thể có Các hệ thống MCA kiểm tra 8 địa chỉ cổng nối tiếp khác nhau có thể có trong một lần thử để tìm ra 4 cổng nối tiếp có hoạt động

Thứ tự kiểm tra Hầu hết hệ

3F8 2F8 Không Không Không Không Không Không

3F8 2F8 3220h 3228h 4220h 4228h 5220h 5228h

Bảng trên mô tả thứ tự theo đó các BIOS sẽ tìm kiếm các cổng hoạt động Chỉ cổng I/O cơ sở đối với mỗi nhóm được hiển thị trong bảng này Trên hệ thống MCA, một khi 4 cổng đã được tìm thấy, các cổng khác không được kiểm tra nữa

Khi hoàn tất các công việc kiểm tra POST nối tiếp, các địa chỉ cổng nối tiếp được cất giữ Điều này thường tạo ra một trong 4 trường hợp được mô tả trong bảng sau:

Trường hợp 2 Địa chỉ I/O

Trường hợp 3 Địa chỉ I/O

Trường hợp 4 Địa chỉ I/O

 Các kết quả POST có thể có về việc phát hiện cổng nối tiếp

- Trường hợp 1 : Mô tả POST phát hiện 2 cổng nối tiếp

- Trường hợp 2 và 3 : Cho thấy chỉ có một cổng nối tiếp được phát hiện

- Trường hợp 4 : Cho thấy không phát hiện được cổng nối tiếp nào

Các phép thử này không khẳng định liệu có một thiết bị nối tiếp thực sự được nối với cổng I/O hay không Phép thử chỉ kiểm tra xem liệu phần cứng cổng nối tiếp có tồn tại hay không tại một địa chỉ I/O cụ thể Tổng số cổng nối tiếp hoạt động được phát hiện thấy (0  4) được cất giữ trong byte thiết bị tại địa chỉ BIOS RAM 40:10h từ các bit 9  11

 Quá trình phát nối tiếp

Trang 20

Để phát một byte trên đường dây kết nối nối tiếp, cổng được giả định là đã được khởi sự với tốc độ baud và các phần chọn khung (Frame) nối tiếp thích hợp Chúng ta cũng giả định rằng các byte sẽ được phát đi trên cổng nối tiếp số 1 (COM1)

1 Trước tiên, xác định địa chỉ cơ sở cổng I/O bằng cách đọc một từ (Word) từ vùng dữ lệu BIOS tại 40:OH đối với cổng nối tiếp COM1 Nếu trị = 0: Không có cổng nối tiếp hoạt động nào được gắn ở đây và dĩ nhiên không có dữ liệu nào được gửi đi

2 Hai đường điều khiển MODEM là DTR (DATA Terminal Ready) và RTS (Request to Send) được xác lập lên mức cao (DTR = 1, RTS = 1)

- DTR thông báo cho thiết bị kết nối biết rằng máy tính đang hoạt động và sẵn sàng để liên lạc

- RTS báo cho thiết bị kết nối biết rằng máy tính muốn gửi dữ liệu

- Hai đường này được kích khởi bằng cách ghi trị 3 thanh ghi MCR (MODEM control Regester) của UART

3 Kế đó, kiểm tra hai đường trạng thái CTS (Clear To Send) Những đường này nằm trong các bit 4 và 5 của thanh ghi MSR (MODEM Status Regester)

- DSR báo cho máy tính biết thiết bị kết nối đã được bật lên và sẵn sàng

- CTS báo cho máy tính biết rằng thiết bị kết nối đã sẵn sàng đối với dữ liệu

- Các đường trạng thái này nên được kiểm tra trong 2ms hay cho đến khi cả hai đều chuyển sang mức cao Khi cả hai đường này đều ở mức cao, thiết bị được kết nối với cổng nối tiếp đã báo hiệu cho biết nó đã sẵn sàng cho một byte Một lỗi đáo hạn (timeout error) được báo hiệu bởi phần mềm nếu một trong hai đường dẫn còn ở mức thấp lâu hơn khoảng 2ms

4 Đến đây thiết bị kết nối đã sẵn sàng tiếp nhận một byte, UART phải được kiểm tra xem liệu thanh ghi chứa dữ liệu phát THR (Transmit Holding Regester) đã sẵn sàng có một byte chưa Thanh ghi LSR (Line Status Regester), bit 5, được xác lập lên mức cao khi thanh ghi chứa dữ liệu này trống rỗng và sẵn sàng cho một byte Một lần nữa, giống ở bước 3 nếu thanh ghi THR không thể trở nên hữu dụng trong 2ms, thì phần mềm sẽ báo một lỗi đáo hạn, và bỏ qua việc phát đi

5 Nếu cho đến bây giờ chưa xảy ra việc đáo hạn, byte có thể được gửi đến thanh ghi chứa dữ liệu phát của UART

6 Sau đó, UART phát byte từ thanh ghi chứa dữ liệu phát vào thanh ghi dịch TSR (từ đây các bit dữ liệu được dịch ra và gửi đi), và tạo dạng khung nối tiếp

 Quá trình nhạân nối tiếp

Để nhận 1 byte từ đường dây kết nối nối tiếp, cổng được giả định như trên (cho cổng COM3):

1 Trước tiên, xác định địa chỉ cơ sở cổng I/O bằng cách đọc một từ (Word) từ vùng dữ liệu BIOS tại 40:4H đối với cổng nối tiếp COM3 Nếu trị = 0: Không có cổng nối tiếp hoạt động nào được gắn ở đây và dĩ nhiên không có dữ liệu nào được gửi đi

2 Hai đường điều khiển MODEM là DTR (DATA Terminal Ready) và RTS (Request to Send) được xác lập lên mức cao (DTR = 1, RTS = 1)

- Điều này thông báo cho thiết bị kết nối biết rằng máy tính đang hoạt động và sẵn sàng liên lạc Điều này được thực hiện bằng cách ghi trị

1 các thanh ghi MMC của UART

3 Kế đó kiểm tra tín hiệu trên đường trạng thái DSR Tín hiệu này xuất hiện trong bit 5 của thanh ghi MSR DSR báo cho máy tính biết rằng thiết bị kết nối đã được bật lên và sẵn sàng DSR sẽ được kiểm tra cho đến khi nó lên mức cao hay cho đến khi hết 2ms trước khi một lỗi đáo hạn được báo hiệu

4 Kế đó, vùng đêïm nhận được kiểm tra để xem dữ liệu đã nhận được dữ liệu nào chưa Bit 0 của thanh ghi LSR chứa một cờ hiệu báo dữ liệu đã sẵn sàng Nó được xét lên 1 khi vùng đệm có dữ liệu Nếu cờ báo dữ liệu sẵn sàng không được xét sau 2ms, thì phần mềm sẽ khai báo một lỗi đáo hạn, và tác vụ bị bỏ qua

5 Nếu cho đến bây giờ chưa xảy ra việc đáo hạn, byte có thể được đọc từ vùng đệm nhận của UART

- Trong chế độ bất đồng bộ, 8251 A dịch số liệu trên dây RxD từ bit một Sau mỗi bit, thanh ghi thu được so sánh với thanh ghi chứa ký tự SYN Nếu hai thanh ghi chưa bằng nhau thì 8251 A dịch bit khác và tiếp tục so sánh cho đến khi hai thanh ghi bằng nhau 8251 A kết thúc chế độ bất đồng bộ và đưa tín hiệu SYNDET (Synch Detect) để báo đồng bộ đã hoàn tất

Trang 22

- Nếu USART được nạp từ điều khiển để làm việc với hai ký tự SYNC, quá trình bất đồng bộ cũng như trên Nhưng hai ký tự kế tiếp nhau sẽ được so sánh với hai ký tự SYNC trước khi đạt được sự đồng bộ Ở chế độ bất đồng bộ bit chẵn/lẻ sẽ không phải kiểm tra USART ở chế độ đuổi bắt đồng bộ với hai điều kiện:

- USART được khởi động ở chế độ đồng bộ

- USART đã nhận lệnh ở chế độ bất đồng bộ.

 Khối phát

Khối này nhận số liệu song song từ đơn vị trung tâm, chèn thêm các thông tin rồi chuyển sang nối tiếp và gửi ra thân TxD (Transmiter DATA)

- Ở chế độ bất đồng bộ, khối phát chèn thêm bit START, bit kiểm tra chẵn lẻ paraty và một hay hai bit STOP

- Trong chế độ đồng bộ, khối phát chèn thêm các ký tự SYNC Những ký tự đồng bộ này phải được phát trước khi bản tin bắt đầu Nếu trong khi phát có khoảng trống giữa hai ký tự thì USART tự động chèn các ký tự đồng bộ vào

- Trong cả hai chế độ đồng bộ và bất đồng bộ, quá trình phát chỉ được cho phép khi tín hiệu TxE (Transmiter Enable) và tín hiệu CTS, ở trạng thái tích cực Nếu USART được đặt ở chế độ đồng bộ từ ngoài, chân SYNDET sẽ là cửa vào và nhận tín hiệu để đồng bộ khi thu

- Khối phát có thể gửi tín hiệu cắt (BREAK) Đó là một chu kỳ liên tục các bit SPACE trên đường dây liên tục và đưọc dùng ở chế độ truyền song công để cắt quá trình gửi thông tin ở đầu cuối

- USART sẽ gửi tín hiệu cắt liên tục nếu bit D3 của byte lệnh được thiết lập

 Khối điều khiển Modem

Khối này tạo và nhận tín hiệu RTS (Request to Send)

 Ngoài ra, còn có các tín hiệu ra DTR (Data Terminel Ready) và tín hiệu vào DSR (Data Set Ready) Đó là những tín hiệu vạn năng

 Tín hiệu DTR điều khiển bởi bit D2 bởi byte lệnh

 Tín hiệu DSR thể hiện ở bit D7 của thanh ghi trạng thái

 USART không định nghĩa các tín hiệu này một cách cứng ngắc Thông thường:

- Tín hiệu DTR qua Modem để chỉ rằng thiết bị đầu cuối sẵn sàng truyền

- DSR là tín hiệu từ Modem để chỉ trạng thái sẵn sàng liên lạc

 Khối điều khiển vào/ra

Logic điều khiển đọc/ghi giải mã các tín hiệu điều khiển từ Bus điều khiển của đơn vị trung tâm thành những tín hiệu đều khiển các cổng dẫn số liệu đến Bus nội của USART

Bảng sau cho biết sự liên quan giữ các tín hiệu CE, C/D\ RD\

 Khối thu

Khối thu nhận dữ liệu nối tiếp ở chân RxD và chuyển thành số liệu song song (P/PC) Trước khi bộ thu làm việc, bit D2 trong Command world của byte lệnh phải ở trạng thái cho phép Nếu bit này không được lập, bộ thu sẽ không tạo ra tín hiệu RxRDI

- Trong chế độ bất đồng bộ, 8251 A kiểm tra mức điện áp của đầu vào RxD Khi có thay đổi mức logic từ 1 xuống 0, 8251 A khởi động bộ đếm thời gian trong khối thu khi đặt thời gian ½ bit, 8251 A kích mẫu đầu vào RxD Tại thời điểm này có 2 trường hợp xảy ra:

- Nếu đầu vào RxD có mức logic cao thì sự thay đổi từ 1 xuống 0 ở RxD trước lúc kích mẫu là do nhiễu hay khối thu đã khởi động bộ đếm trong khi nhận bit số liệu Như vậy có sai 8251 bỏ lệnh đang thực hiện và chuẩn bị ký tự mới

- Nếu đầu vào RxD có mức logic thấp trong thời điểm kích mẫu 8251 tiếp tục kích mẫu để nhận giá trị của các bit số liệu, bit kiểm tra chẵn lẻ và các bit dừng Sau đó, 8251 tách các bit khung và chuyển số liệu qua Bus trong đến thanh ghi đệm số liệu thu Tín hiệu RxRDI được tạo ra để báo cho trung tâm biết số liệu thu đã sẵn sàng

- Trong chế độ đồng bộ, khối thu kích mẫu các bit số liệu của ký tự rồi đưa đến đệm số liệu thu và lập cờ RxRDI Vì bộ thu nhóm một số bit thành ký tự nên được xác định bit số liệu đầu tiên là cần thiết Để đồng bộ giữa bộ thu và bộ phát, nếu có trống trong dãy ký tự thì

Trang 24

8251 tự động chèn ký tự SYNC vào Quá trình đồng bộ được thực hiện trong quá trình bất đồng bộ

 Khối đệm vào ra

- Khối đệm vào ra chứa: Thanh ghi trạng thái, thanh ghi số liệu thu (thanh ghi đệm số liệu thu), thanh ghi số liệu phát và lệnh (thanh ghi đệm số liệu phát và lệnh)

- Như vậy, chỉ có một thanh ghi chứa thông tin chuyển từ đơn vị trung tâm vào USART Thông tin này bao gồm số liệu và lệnh, do vậy phải có sự phân chia thời gian giữa lệnh và số liệu Lệnh phải được gửi trước số liệu Trước khi gửi số liệu vào USART Đơn vị trung tâm phải kiểm tra tín hiệu sẵn sàng phát TxRDI Nếu gửi thông tin khi TxRDI ở trạng thái chưa sẵn sàng số liệu chuyển đi có thể sai

CHƯƠNG I

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO

CHƯƠNG TRÌNH SỐ

I _ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ

Ở máy thông thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận máy điều khiển được thực hiện bằng tay Với cách điều khiển này thời gian phụ thuộc khá lớn, nên không thể nâng cao năng suất lao động

Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều khiển Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá trình điều khiển Đặc điểm của loại máy tự động này là rút ngắn thời gian phụ, nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất quá dài (thời gian thiết kế và chế tạo,thời gian điều chỉnh máy …) Nhược điểm này không đáng kể, nếu sản xuất với khối lượng lớn Trái lại với lượng sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thường xuyên, loại máy tự động trở nên không kinh tế Do đó cần phải tìm ra phương pháp điều khiển mới, đảm bảo thời gian điều chỉnh máy để gia công từ loại chi tiết này sang chi tiết khác được nhanh Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển theo chương trình

Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra) được thay đổi theo một qui luật trước Nói cách khác, trên máy điều khiển theo chương trình, thứ tự, giá trị của các chuyển động cũng như thứ tự đóng mở các bộ phận máy, đóng mở hệ thống làm nguội, bôi trơn, thay mũi khoan… Điều được thực hiện đúng theo một chương trình đã vạch sẵn Các cơ cấu mang chương trình này được đặt vào thiết bị điều khiển, và sẽ làm tự động theo chương trình đã cho

Nếu các chương trình trên được ghi lại bằng các dấu tì, bằng hệ thống cam, bằng mẫu ghép hình … Ta gọi hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển theo chương trình phi số Nếu các chương trình được biểu thị bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu, ta gọi hệ điều khiển theo chương trình số

Như vậy điều khiển theo chương trình số là một quá trình tự động cho phép đưa một cơ cấu di động từ vị trí này đến vị trí khác bằng một lệnh Sự dịch chuyển ấy có thể là lượng di động thẳng (hoặc một góc quay theo các bậc tự do)

Trang 26

Trong nhiều trường hợp, phương pháp điều khiển theo chương trình số được thiết

kế tự động hóa việc di chuyển một cơ cấu từ vị trí này đến vị trí khác, ta gọi là "điều

khiển theo điểm" Nhưng ta cũng dễ dàng khi rút ngắn vô hạn khoảng cách giữa các

điểm di động kế tiếp nhau và sẽ đạt đến một quá trình điều khiển quỹ đạo gọi là điều khiển theo đường

Phương pháp điều khiển theo chương trình số có thể dùng để di động bất kỳ một cơ cấu nào được truyền động bằng động cơ Phạm vi sử dụng nó rất rộng, nhưng chủ yếu là tự động hóa máy công cụ

Vì chương trình số có thể tiến hành cách xa máy và máy có hệ thống đo lường riêng, nên hệ thống điều khiển này có thể điều khiển một cách dể dàng và nhanh chóng

Hệ thống điều khiển theo chương trình số còn được gọi tắt là hệ thống NC (Numerical Control) và máy điều khiển theo chương trình số được gọi là máy NC Như thế: Máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với các lệnh được thể hiện bằng dạng tín hiệu là các chữ số được ghi trên băng từ, đĩa từ hoặc phim…

Bước phát triển cao của máy điều khiển theo chương trình số là sự ra đời của trung tâm gia công CNC Vậy trung tâm gia công là một loại máy điều khiển theo chương trình số có cơ cấu tự động để thực hiện nhiều loại nguyên công khác nhau sau một lần kẹp chi tiết, với sự trợ giúp của máy tính điện tử

CNC có thể phân thành 2 loại: Loại dùng để gia công có dạng thân hộp tấm, loại gia công chi tiết tròn xoay

II _ ĐẶC ĐIỂM CỦA CNC

- Tập trung nguyên công cao độ

- Có cơ cấu cấp dao tự động với dung lượng lớn

- Phần lớn CNC thường có bàn máy phụ và đồ gá

- Đạt được độ chính xác cao ở nguyên công tinh

- Các CNC thường dùng hệ thống điều khiển theo đường

III _ HỆ TOẠ ĐỘ MÁY

Các điểm mà trong khi gia công được xác định trong một chương trình để mô tả

vị trí của các điểm náy trong vùng làm việc, ta dùng hệ tọa độ Nó bao gồm ba trục vuông góc với nhau cũng cắt nhau tại điểm gốc 0.

Với hệ toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác định thông qua các tọa độ của nó Hệ tọa độ máy do nhà chế tạo xác định, thông thường nó không thể thay đổi

Hình 1-1 : Hệ tọa độ vuông góc trên máy

- Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị Trên máy khoan nằm song song với bàn máy ( bàn kẹp chi tiết)

- Trục Y là trục thứ 2 trong mặt phẳng định vị Trên máy khoan nó nằm trên mặt máy và vuông góc với bàn máy

- Trục Z luôn luôn trùng với trục truyền động chính Trục này được nhà chế tạo xác định Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến mũi khoan Điều đó có nghĩa là trong chuyển động theo chiều âm của trục Z, mũi khoan sẽ đi tới bề mặt chi tiết

Để xác định nhanh chiều của các

trục, dùng luật bàn tay phải(Hình 1-1):

Ta đặt ngón giữa bàn tay phải theo

chiều của trục Z thì ngón tay cái sẽ trỏ

về chiều của trục x và ngón tay trỏ sẽ

chỉ theo chiều của trục Y

Hệ toạ độ cơ bản được gắn liền với

Để mô tả đường dịch chuyển của mũi khoan (dữ liệu tọa độ) trên một số máy CNC có cả hai khả năng

a) Dùng toạ độ Đề_Cac :

Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề Các, ta đưa ra khoảng cách đo song song với trục từ một điểm tới một điểm khác

Các khoảng cách theo chiều dương của trục có kèm theo dấu dương (+) phía trước Các khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm (-) phía trước

 Các số đo có thể đưa ra theo hai phương thức:

 Đo tuyệt đối:

Với các số đo tuyệt đối, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ một điểm cố định trong vùng làm việc Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều xác định mũi khoan phải dịch chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối

 Đo theo chuổi kích thước:

Với các số đo theo chuỗi kích thước, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ các điểm dừng lại của mũi khoan sau một lổ khoan được khoan Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều đưa ra số liệu của mũi khoan cần được dịch chuyển tiếp một lượng là bao nhiêu nữa theo từng trục toạ độ

Hình 1-2: Xác định nhanh chiều trục tọa độ

Trang 28

b) Dùng tọa độ cực :

Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ tọa độ cực, ta đưa ra vị trí của một điểm thông qua khoảng cách và góc so với một trục cơ sở

Các tọa độ cực chỉ có thể đo trên một mặt phẳng chính Trong phạm vi của một hệ tọa độ cực có 3 mặt phẳng chính Từ 3 trục x, y và z của hệ thống sẽ có 3 mặt kẹp, đó là: Mặt x/y, mặt x/z, mặt y/z

 Những điểm quan trọng trong một hệ tọa độ cực

 Điểm chuẩn : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ máy

 Điểm 0 chi tiết : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ chi tiết, nó được giữ cố định cho một chi tiết

 Điểm 0 lập trình : Là điểm gốc 0 từ đó xác định các dữ liệu cập nhật trong một chương trình Điểm này có thể thay đổi thông qua lệch dịch chuyển điểm 0

IV _ CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN

Phù hợp với yêu cầu đa dạng trong thực tế, người ta phân biệt hệ điều khiển theo ba mức điều khiển khác nhau :

- Điều khiển theo điểm

- Điều khiển theo đoạn

- Điều khiển theo đường

1 Điều khiển theo điểm:

Là hệ thống điều khiển không có mối

quan hệ hàm số (vô hàm) giữa các chuyển

động dọc theo trục tọa độ Nhiệm vụ chủ

yếu của hệ thống điều khiển là định vị

chính xác mũi khoan hoặc chi tiết vào

ví trí yêu cầu Hệ thống này không kiểm tra theo qũi đạo, vận tốc, mà kiểm tra theo vị trí định vị

Điển hình nhất của hệ thống này là điều khiển để khoan lỗ tức là cần điều khiển chuyển động tương đối giữa dao và phôi đến từng điểm xác định Chẳng hạn từ điểm A(X1,Y1), B(X2,Y2) Đặc điểm của loại điều khiển này là trong quá trình điều khiển mũi khoan không làm việc Quá trình gia công chỉ được tiến hành theo bất cứ tọa độ

nào: Có thể trước tiên theo tọa độ X, sau đó theo Y hoặc ngược lại, hoặc đồng thời thực hiện cùng một lúc trên hai trục với vận tốc lớn nhất

2 Điều khiểu theo đoạn :

Cũng giống như hệ thống điều khiển

theo điểm, tức là không có quan hệ

hàm số giữa các chuyển động theo tọa

độ Điểm khác là khi định vị, mũi

khoan làm việc nên không thể định vị

theo một đường bất kỳ, mà thông thường phải theo hướng song song với một trục tọa độ

 Thí dụ :

Khi khoan cạnh song song với trục tọa độ được xác định bởi các điểm (X1,Y1) và (X2,Y2) thì phải di động bàn máy (hoặc mũi khoan) theo tọa độ Y Trong lúc đó bàn trượt theo hướng X phải đứng yên Chỉ sau khi khoan xong các điểm song song với trục

Y rồi mới tiến hành định vị các điểm song song với trục X

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển theo điểm và theo đoạn không khác nhau Do đó, ta có thể thực hiện hệ thống này theo sơ đồ sau

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo điểm và đoạn khởi đầu bằng các số liệu về hình dáng và số liệu công nghệ chi tiết gia công Hai số liệu ấy tạo thành dữ liệu gia công Thông qua quá trình lập trình, nhờ cơ cấu ghi mã hiệu, các dữ liệu gia công được biến thành các mã hiệu ghi vào chương trình Chương trình này bao gồm tất cả mọi tín hiệu cần thiết cho việc điều khiển các cơ cấu của máy

Những khâu kể trên có thể thực hiện ở bất cứ nơi nào, tách xa khởi máy, nên gọi là phần xử lý dữ liệu bên ngoài Dữ liệu gia công cũng có thể đưa trực tiếp vào bảng điều khiển số đặt trên máy (như máy NC đơn giản) hoặc truy nhập trực tiếp vào máy tính trung tâm như ở hệ thống CNC Các khâu kế tiếp của xích điều khiển điều đặt bên trong máy, nên gọi là phần xử lý dữ liệu bên trong

Khâu đầu tiên của phần xử lý dữ liệu bên trong là cơ cấu đọc Vì chương trình ghi các dữ liệu gia công dưới dạng mã hiệu, nên phải qua cơ cấu giải mã để biến mã hiệu thành những tín hiệu điều khiển: Tín hiệu hành trình và tín hiệu khởi động

Tín hiệu khởi động có nhiệm vụ đóng ngắt các cơ cấu tác động, nên ta không đề cập đến trong sơ đồ cấu trúc Còn tín hiệu hành trình là những trị số đã được xác định

Hình 1-4: Sơ đồ điều khiển

C

để định vị bàn máy theo tọa độ X-Y Tín hiệu hành trình cần đưa qua cơ cấu chuyển

đổi, nhằm tạo nên những tín hiệu giống nhau để đưa vào cơ cấu so sánh

Cơ cấu so sánh có hai tín hiệu vào: một tín hiệu là những trị số xác định từ

chương trình đưa đến gọi là giá trị cần, một tín hiệu là những trị số thực tế từ thiết bị đo

hành trình của bàn máy đưa đến gọi là giá trị thực Qua cơ cấu so sánh, nếu hai gía trị

chênh lệch nhau, sẽ tạo nên một tín hiệu sai lệch Qua cơ cấu khuếch đại, tín hiệu sai

lệch làm khởi động động cơ (động cơ quay bàn máy) để bù sai số Khi đạt đến vị trí đã

định, giá trị cần và giá trị thực bằng nhau, tín hiệu sai lệch sẽ bằng không, cơ cấu khởi

động dừng

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỂM VÀ ĐOẠN

Cơ

cấus

Cơ cấu khuếch đại

Số liệu hình dáng Số liệu công nghệ

Dữ liệu gia công Lập chương trình

Cơ cấu ghi mã hiệu hiệu

Ch

ương

trìn

cấu

giãi

ma

T

ín hiệ

u hàn

h trìn

h

C

ơ cấu chuyển đổi

T

ín hiệ

u khởi độ

ng

C

ơ cấ

u

so sán

h

C

ơ cấ

u khuế

ch

Động cơ điều khiển

Thiết bị

đo hành trình

Thiết bị

đo hành trình

Bàn máy

Y

Hệ thống điều khiển vừa mô tả trên là hệ thống kín Để tạo nên hệ thống kín thông thường rất tốn kém Vì thế, người ta đang cố gắng để tạo nên một hệ thống điều khiển đơn giản hơn

Thí dụ như hệ thống dùng cơ cấu ngắt Ở đây, các tín hiệu khởi động điều khiển trực tiếp các động cơ điều khiển, chứ không phải tìm hiệu số sai lệch của cơ cấu so sánh sau khi được khuếch đại Việc so sánh tín hiệu cần với tín hiệu thực cũng được tiến hành như trên Nhưng khi có sai lệch nó sẽ tác động động cơ ngắt, làm dừng động

cơ điều khiển

Động cơ điều khiển

C

CHƯƠNG II

TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ BƯỚC

I _ CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

 Động cơ bước được phân thành ba loại chủ yếu sau :

1 Động cơ nam châm vĩnh cửu : Hay còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng và

thường được chế tạo có cực móng Động cơ này có góc bước thay đổi từ 60 450

trong chế độ điều khiển bước đủ, mômen hãm từ 0,5  25 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 0,5 và tần số làm việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz

Hình 2-1: Cấu tạo động cơ bước vĩnh cửu

1 và 2) Hai nửa Stator có dạng cực móng được từ hóa với cực N và S xen kẻ nhau; 3) Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một cuộn điều khiển lưỡng cực) được đặt ở bên trong hai nửa stator; 4)Rotor nam châm vĩnh cửu có các cực từ xen kẻ

2 Động cơ bước có từ trở thay đổi : Hay còn gọi là động cơ phản kháng Kiểu động

cơ này có góc nằm trong giới hạn từ 1,80  300 trong chế độ điều khiển bước đủ, mômen hãm từ 1 50 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20 Khz Stato được chế tạo thành dạng răng với bước cực s Cuộn dây pha (2) được quấn trên 2 hoặc 4 răng đối xứng nhau, roto của động cơ cũng được chế tạo thành dạng răng có bước cực r

C

Hình 2-2 :Cấu tạo động cơ bước có từ trở thay đổi

1) Stato được chế tạo thành dạng răng; 2) Cuộn dây pha; 3) Roto có từ trữ thay đổi được chế tạo thành dạng răng

3 Động cơ bước hổn hợp :

Hay còn gọi là động cơ bước cảm

ứng, có góc bước thay đổi trong khoảng

0,36 - 150 trong chế độ bước đủ, mômen

hãm từ 3 - 1000 Ncm, tần số khởi động

lớn nhất là 40 khz Trong các loại động

cơ bước kể trên thì động cơ bước hổn

hợp được sử dụng nhiều hơn cả Vì loại

động cơ này kết hợp các ưu điểm của hai

loại động cơ trên đó là: Động cơ nam

châm vĩnh Cửu với dạng cực móng, và

động cơ có từ trở thay đổi

Cấu tạo của động cơ bước thay đổi hổn hợp là sự kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cữu và động cơ bước có từ trở thay đổi Phần Stato được cấu tạo hoàn toàn giống Stator của động cơ bước có từ trở thay đổi Trên các cực của Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây (h.2-3) hoặc được quấn thành 2 cuộn dây (h.2-4) đặt xen kẻ nhau để hình thành lên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

 Động cơ hổn hợp cũng được chế tạo với 2, 4 và 5 pha, động cơ 2 và 4 pha thường cho góc bước từ s = 0,90 - 150 cò động cơ 5 pha thường có có góc bước từ s = 0,180 - 0,270

 Bước răng của Roto được xác định bằng biểu thức sau:

Zr Zr

C

 Góc bước của động cơ là tỷ số giữa bước răng r và số pha m của động cơ khi cuộn

dây được điều khiển lưỡng cực :

 Trong chế tạo động cơ bước ngoài ba loại chính kể trên, để có góc bước thay rất

nhỏ người ta còn chế tạo động cơ bước từ trở thay đổi có nhiều tầng, kết cấu của

loại này được trình bày ở hình

 Loại động cơ này thường được chế tạo

2, 3, 4 tầng trình bầy kết cấu của động

cơ bước từ trở thay đổi có ba tầng

Trong mỗi tầng số răng của Stato và

Roto giống nhau Vị trí răng của 3 Stato

được đặt giống nhau và được cố định

trên trục Roto, nhưng vị trí răng của

3 Stato được đặt lệch nhau 1/3 bước răng

 Góc lệch giữa hai tầng kề nhau được xác định bằng biểu thức sau:

Zrm m

Nếu Roto có Zr = 12 răng thì góc lệch nhau giữa hai tầng kề nhau là 100

 Khi có một xung dòng điện điều khiển đặt vào tầng 1 thì răng của Roto và Stato đối

đỉnh nhau (vì từ thông chỉ khép kín tại vị trí có từ trở nhỏ nhất) Lúc này răng của

Roto và Stato ở tầng 2 lệch nhau 1 góc là 100, còn răng của Roto và Stato ở tầng 3

lệch nhau là 200 Cắt xung dòng điện điều khiển vào tầng 1 và các xung dòng điện

điều khiển vào tầng thì Roto của tầng 2 quay một góc 100để đỉnh răng của Roto

trùng với đỉnh răng của stato ở tầng 2, lúc này răng của Roto và Stato của tầng 3

lệch nhau một góc là 100 so với tầng 2 Quá trình điều khiển tiếp tục cho tới khi trở

lại tầng 1 Cuối cùng ta có quá trình điều khiển theo trình tự 1-2-3-1

Trang EMBED CDraw5

II _ ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước, thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, và được gọi là bước của động cơ, khi các xung dòng điện đặt vào cuộn dây phần ứng liên tục thì roto sẽ quay liên tục

Vị trí của trục động cơ bước được xác bằng số lượng xung, và vận tốc của động cơ tỷ lệ với tần số xung, và được xác định bằng số bước/giây (second) Tính năng làm việc của động cơ bước được đặt trưng bởi bước được thực hiện, đặt tính góc (quan hệ của mômen điện từ theo gốc giữa trục của Roto và trục của từ trường tổng), tần số xung giới hạn sao cho các quá trình quá độ, khi hoàn thành một bước có thể tắt đi trước khi bắt đầu bước tiếp theo Tính năng mở máy của động cơ, được đặt trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho Roto mất đồng bộ (bỏ bước) Tuỳ theo kết cấu của từng loại động cơ, mà tần số động cơ có thể tiếp nhận được từ 10 đến 10.000 Khz

 Bước của động cơ (giá trị của góc giữa hai vị trí ổn định kề nhau của Roto) càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao Bước của động cơ phụ thuộc vào số cuộn dây phần ứng, số cực của Stato, số răng của Roto và phương pháp điều khiển bước đủ hoặc điều khiển nữa bước Tùy theo yêu cầu về độ chính xác và kết cấu của động cơ, mà bước của động cơ thay đổi trong giới hạn từ 1800 - 0,180 Trong đó: động cơ bước nam châm vĩnh cửu dạng cực móng và có từ trở thay đổi từ 60 - 450, động cơ bước có từ trở thay đổi có góc bước nằm trong giới hạn từ: 1,80- 300, và động cơ bước hỗn hợp có góc bước thay đổi trong khoảng 0,360 - 150 Các giá trị góc của các loại động cơ kể trên được tính trong chế độ điều khiển bước đủ

 Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần ứng được cấp xung điều khiển Nhiệm vụ này do bộ chuyển phát thực hiện

 Số cuộn dây phần ứng (hay cò gọi là cuộn dây pha) của động cơ bước được chế tạo từ 2 - 5 cuộn dây pha (hay còn gọi là bối dây) và được đặt đối diện nhau trong các rãnh ở Stato Đối với cuộn dây phải có hai cuộn dây thì chỉ dùng cho điều khiển lưỡng cực (cuộn dây có cực tính thay đổi), với 4 cuộn dây có thể dùng cho cả hai chế độ điều khiển lưỡng cực và điều khiển đơn cực

III _ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BƯỚC ĐỦ VÀ NỬA BƯỚC

1 Phương pháp điều khiển bước đủ

Thể hiện trình tự điều khiển bước đủ của dộng cơ bước nam châm vĩnh cửu được từ hóa với các cực từ xen kẽ Nguyên lý làm việc của động cơ bước là dựa trên sự tác động tương hổ giữa từ trường của Stato và Roto, hình thành mômen điện từ làm quay Roto đi một góc nhất định Khi cho xung dòng điện tác độngvào cuộn dây pha AA'(

C

hình 2-6a) thì Roto sẽ quay đến vị trí, mà trục từ trường của Roto (cũng chính là trục dọc của Roto) trùng với trục từ trường của pha A

Nếu cắt xung dòng điện

vào pha A, và cho xung dòng

điện tác dụng vào cuộn dây pha

BB' (h.2-6b) thì vectơ từ hoá của

dòng điện sẽ quay đi một góc là

180, do đó Roto cũng quay đi một góc là 180 để cho trục của từ trường Roto trùng với trục của từ trường tổng

Sau đó cắt xung tác động vào pha B và lại cho xung dòng điện vào pha A (hình 2-6c), nhưng đổi dấu thì Roto lai quay tiếp một góc là 180 Nếu tính từ điểm đầu thì Roto đã quay được một góc là 360

Quá trình chuyển phát xung dòng điện tác dụng vào một trong hai pha cho tới khi Roto quay một vòng, động cơ sẽ thực hiện được 20 bước (hay còn gọi là 20 nhịp)

Quá trình chuyển mạch các cuộn dây điều khiển theo một trình tự (A+, B+, A-, B

-,) và quá trình chuyển mạch theo trình tự (A+,B+), (A+, B-),(A-,B+), (A-,B-) Trong hai trường hợp này, thì trong một chu trình chuyển mạch có 20 nhịp (bước), và ở mỗi nhịp có số cuộn dây điều khiển được cấp xung dòng điện cho nhau

Dạng điều khiển này được gọi là điều khiển bước đủ hay còn gọi là điều khiển đối xứng

2 Phương pháp điều khiển nửa bước:

Thể hiện trình tự điều khiển nửa bước, quá trình điều khiển nửa bước tương tự như quá trình điều khiển bước đủ, nhưng trình tự chuyển mạch các cuộn dây điều khiển có khác nhau: cụ thể là từ A+, (A+,B+), B+, (A-,B+), A-, (A-,B-), B-, (A+,B-), …

Với trình tự chuyển mạch này, một chu trình hoàn chỉnh bao gồm 40 nhịp, và trong mỗi nhịp số cuộn dây điều khiển được cung cấp xung khác nhau, khi đó Roto

quay được một vòng thực hiện 40 nhịp điều khiển có góc bước là 90 Phương pháp điều

trở thay đổi có ba tầng EMBED PBrush

Xu EMBED PBrush

bước hỗn hợp 5 pha điều khiển lưỡng cực Hình 2-7: Phương pháp điều khiển nữa

khiển này được gọi là phương pháp điều khiển nửa bước hay còn gọi là điều khiển không đối xứng Trong hai phương pháp điều khiển trên, thì phương pháp điều khiển nửa bước cho giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần, và số bước/vòng tăng lên hai lần so với phương pháp điều khiển bước đủ

Xét về yêu cầu đảm bảo độ chính xác trong điều khiển, thì phương pháp điều khiển nửa bước dễ dàng đáp ứng hơn, nhưng bộ chuyển phát xung điều khiển phức tạp hơn nhiều so với phương pháp điều khiển bước đủ

IV _ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

1 Động cơ nam châm vĩnh cửu:

Nguyên lý làm việc của động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ trên một mômen điện từ, từc là tác động giữa một trường điện từ và một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu Roto của động cơ tạo thành một hoặc nhiều cặp từ và mômen điện từ của nam châm được dặt thẳng hàng trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên

 Xét cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu như:

Hình 2-8: Sơ đồ kết cấu của động cơ bước

Động cơ có hai cuộn dây lắp ở hai cực của Stato, và một nam châm vĩnh cửu ở Roto Khi kích thích một cuộn dây của Stato (đồng thời ngắt điện cuộn kia) sẽ tạo nên hai cực Bắc (North) và Nam (South) của nam châm Roto sẽ thẳng đứng với hướng từ trường

Nếu ta cho dòng điện vào cuộn dây W1 thì vị trí 1 và 3 của Stato tương ứng sẽ là cực Nam và cực Bắc

Giả sử trục của nam châm vĩnh cửu của Roto đang lệch với trục 1-3 một góc 

dưới tác dụng của lực hút do các cực trái dấu của nam châm sẽ sinh ra một lực quay Roto về vị trí 1, vị trí này gọi là vị trí cân bằng Sau đó cho dòng điện I2 vào cuộn dây

W2 (lúc này dòng điện ở cuộn W1 bị ngắt), thanh nam châm sẽ quay nhanh đến vị trí 2

C

một góc 900 nếu việc cấp điện liên tục và tuần tự vào cuộn dây W1, W2, W1, W2, … Và đảo chiều dòng điện sau mỗi bước, thanh nam châm sẽ quay thành những vòng tròn, từ một phần tư vòng tròn đến một phần tư vòng tròn khác

Các cuộn dây của Stato gọi là các pha Động cơ bước có thể có nhiều pha: 2, 3,

4, 5 pha, nó được cấp điện cuộn này sang cuộn khác với việc đảo chiều dòng điện sau mỗi bước quay Chiều các động cơ phụ thuộc vào thứ tự cung cấp điện cho các cuộn dây và hướng của từ trường

2 Động cơ bước từ trở thay đổi:

Nguyên lý làm việc của động cơ bước từ trở thay đổi dựa trên cơ sở định luật cảm ứng điện từ, tức là dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và một Roto có từ trở thay đổi theo góc quay

 Cấu trúc tiêu biểu của động cơ bước có từ trở thay đổi

Hình 2-9: Động cơ bước ba pha từ trở thay đổi

Roto động cơ điện được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt Roto thường có nhiều răng Mỗi răng của Roto hoặc của Stato gọi là một cực Trên hai cực đối diện được mắc nối tiếp hai cuộn dây (ví dụ như cuộn dây AA') tạo thành một phần của động

cơ Như vậy động cơ như hình vẽ có ba pha A, B, C, từ trở thay đổi theo góc quay của răng Khi các răng của Roto đứng thẳng hàng với các cực của Stato, từ trở ở đó sẽ nhỏ nhất Nếu ta cho dòng điện chạy vào cuộn dây BB' nó sẽ tạo nên từ trường kéo cực gần nó nhất của roto và làm Roto quay một góc 300 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Nếu dòng điện được đưa vào cuộn dây CC', Roto lại tiếp tục quay một góc 300 nữa … Các cuộn dây AA', BB', CC' gọi là các pha

Hướng quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều của dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho cuộn dây Nhiệm vụ này do các mạch logic trong bộ chuyển phát thực hiện Với cách thay đổi thứ tự hoặc thay đổi cách kích thích các cuộn dây ta cũng làm thay đổi các vị trí góc quay

Động cơ bước có từ trở thay đổi có chuyển động êm, số bước lớn và tần số làm việc cũng khá lớn (từ 2 đến 5 Khz)

 Một số công thức tính cho động cơ bước từ trở thay đổi:

Nr : Số răng roto

Ns : Số răng stato

Pr : Góc độ răng roto

s : Góc bước

Rs : Giá trị bước

X = Ns/Np : số răng stato cho một pha

- Góc độ răng giữa hai răng kề nhau được xác định như sau :

60

Nr Np

f Rs

3 Động cơ hổn hợp:

Động cơ hổn hợp là sự kết hợp nguyên tắt làm việc của động cơ có bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi nhằm có được đặt tính tốt nhất của hai loại kể trên là momen lớn và số bước lớn

Hình 2-10: sơ đồ động cơ bước hổn hợp

Động cơ gồm hai nửa Roto (1) và (2) Nửa(1) có nhiều răng trên Roto, nửa (2) là nam châm vĩnh cửu Do đó có sự kết hợp giữa hai phần nên tạo ra sự kích thích roto

mạnh hơn Động cơ loại này có số bước đạt đến 400 bước, nhưng giá thành đắt

4 Động cơ nhiều Stato:

1

2

C

Hình 2-11: sơ đồ động cơ nhiều stato Động cơ gồm nhiều stato trên cùng một trục Nếu ta dịch chuyển stato đi một góc đồng thời giữ Roto thẳng hàng hoặc ngược lại có bước rất nhỏ Khi cung cấp điện cho stato một cách liên tục, ta sẽ có một động cơ (quay liên tục), đặc tính của nó không tốt bằng động cơ có từ trở thay đội

V _ ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

1 Đặc tính tĩnh:

 Góc bước : là trị số góc quay của một bước, là góc quay của trục động cơ dưới

tác dụng của một xung điện chạy qua cuộn dây điện kế tiếp Nó phù hợp với số bước/ vòng Điều khiển động cơ hổn hợp bằng bộ chuyển phát cho phép nhân số bước thực tế để điều khiển nửa bước (khi hai pha được cấp điện cùng một lúc) và điều khiển vi bước (khi cho dòng điện có trị số khác nhau vào các pha) Số bước có thể là 2000 đến 25000 bước/vòng

 Moment : Moment thay đổi theo góc quay của trục được gọi là đặc tính của

động cơ bước Nó được biểu hiện như hình sau :

Hình 2-12 Momem của động cơ bước

 Moment tĩnh (Mo): Khi động cơ được cấp điện, roto có xu hướng nằm trên trục của

từ thông, hình thành một momen rất lớn để động cơ có thể quay Giá trị này gọi là momen tĩnh

 Momen hãm là momen cản do trục của động cơ nam châm vĩnh cửu tạo nên khi

các cuộn dây stato không được kích thích Để động cơ có thể hoạt động chính xác thì momen luôn luôn nhỏ hơn momen tĩnh

 Momen duy trì là momen lớn nhất do cuộn dây kích thích tạo nên trên trục động cơ

từ trở thay đổi không có momen này

2 Đặc tính động của động cơ bước:

Vận tốc của động cơ bước phụ thuộc vào tần số xung điều khiển Tần số này do bộ điện tử cung cấp

Đặc điểm vận tốc của roto trên một bước thể hiện tính dao động của trục động cơ Đặc tính này có thể được cải thiện bằng việc thiết kế một hộp biến tốc đặc biệt nhằm hạn chế và loại trừ sự cộng hưởng để có được hằng số thời gian tốt hơn

Khi có một xung dòng điện vào cuộn dây Stato, Roto động cơ không chuyển động ngay từ góc này sang góc khác, mà nó dao động một thời gian cần để quay 5% vòng

y

Mf

Mk Mtgiâơùc/men

giâơù

ơùc/m

men

Bư Mo

thì mới đạt được vị trí ổn định Hằng số thời gian phụ thuộc vào moment quán tính của từ thông 

Tần số xung càng cao thì hằng số thời gian điện từ sẽ càng ngắn Nếu xung điều khiển đông cơ có tần số quá cao thì roto sẽ quay liên tục và làm việc quá tần số giới hạn Ở chế độ này động cơ không thể dừng đột ngột và cũng không thể đảo chiều Muốn thựchiện dừng động cơ, cần phải giảm tần số đến vùng làm việc theo bước

 Hai đường đặt tính hình thành vùng giới hạn làm việc là đường cong Mc và Mk

- Mc là momen tới hạn, momen lớn nhất tác động lên trục làm động cơ quay ở tần số đã cho Trên giới hạn này động cơ bị sai bước và không thể thay đổi tần số bước

- Mk làø momen khởi động lớn nhất, thường bằng 2/3 gía trị momen duy trì

 Trên đồ thị có hai vùng làm việc động cơ A và B

- Vùng A : là vùng khởi động Ở vùng này động cơ sẽ có thể khởi động, dừng và đảo chiều mà không bị sai bước

- Vùng B : là vùng bội tốc Ở đây động cơ không thể đáp ứng tức thời các lệc\nh khởi động, dừng và đảo chiều Nó chỉ có thể quay nếu tần số tăng tuần tự đến một gía trị thích hợp Ở vùng này không cho phép khởi động, dừng và đảo chiều

nhưng có thể tăng, giảm tốc từ từ Muốn dừng chính xác động cơ, vận tốc xung phải giảm tốc từ từ đến kmomen khởi động

3 đường đặc tính của động cơ bước

Tần số tới hạn fmax: là tần số bước lớn nhất khi động cơ chạy không tải

- Tần số tới hạn ft : là tần số bước lớn nhất mà động cơ có thể làm việc không sai bước khi quay không tải

- Tần số khởi động fk: là tần số bước lớn nhất mà động cơ có thể khởi động khi có tải

B

A

f k

tmax fkmax

C

- Tần số fkmax: là tần số bước lớn nhất mà động cơ có thể khởi động lúc không

tải

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Điều khiển động cơ bước do một thiết bị điện tử gọi là bộ chuyển phát thực hiện Nó bao gồm một số chức năng sau đây:

- Tạo các xung với những tần số khác nhau

- Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ

 Làm giảm các dao động cơ học

Sơ đồ mạch logic điện tử của bộ chuyển phát để điều khiển hình trong động cơ bước

4 pha được trình bày

Đầu vào của mạch này là các xung do máy phát xung tạo nên Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi mạch Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistor công suất T1 đến T4 thực hiện.VơÙi việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động

cơ có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại ATất cả mọi transistor đều do mạch logic "VÀ" điều khiển Hai bộ ổn định hai chiều T1 và T2 tạo các tín hiệu đóng mở cho các công tắt điề khiển Trạng thái của hai bộ ổn định hai chiều điều khiển 4 trasistor theo cách thức như sau:

Hình 2-14: Sơ đồ mạch logic bộ chuyển phát điều khiển động cơ bước

Trạng thái ổn định Trạngthái transisr

ư û u

h vĩn

châ

m

cơ nam

động cơcơSo