Đồ Án Điều Khiển Động Cơ Bước Dùng IC Số

Lý do chọn đề tài - Mạch điều khiển động cơ bước là sự kết hợp của môn học kĩ thuật số và kỹ thuật tương tự, sơ đồ mạch khá là đơn giản,những phần tử trong mạch được bán rất nhiều tr

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỞ ĐẦU 3

1 Lý do chọn đề tài 3

2 Đối tượng nghiên cứu: 3

3.Mục đích nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN CHÍNH TRONG MẠCH 4

1.1 IC 7805 4

1.2 IC NE555 6

1.3 IC 74LS193 9

1.4 IC 74138 12

1.5 IC 7414 15

1.6 Động cơ bước 16

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ BƯỚC 22

2.1 Xây dựng sơ đồ khối toàn mạch 22

2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch và nguyên lý hoạt động 22

2.3 Tính toán, chọn lựa linh kiện 24

CHƯƠNG 3: THẢO LUẬN 35

3.1 Mạch thử nhiệm trên phần mềm mô phỏng Protues 35

3.2 Khảo sát mạch trên thực tế 37

3.3 Tài liệu tham khảo 38

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù gặp phải rất nhiều những vấn đề khó khănsong với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đình Hùng cùng với sự chỉ bảo của cácthầy cô giáo Khoa Điện – Điện Tử và sự lỗ lực không ngừng của cả nhóm, đến naychúng em đã hoàn thành đề tài Tuy nhiên, do kiến thức của chúng em còn hạn chế,nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp chân thành từ phía thầy Nguyễn Đình Hùng, cùng các thầy

cô giáo Khoa Điện – Điện Tử và các bạn đọc để đề tài này của chúng em ngày cànghoàn thiện và phát triển lên mức cao hơn trong thời gian gần nhất

Sau 1 thực hiện đề tài tại khoa, chúng em đã được học hỏi rất nhiều kinh nghiệm vàkiến thức Các thầy cô gióa trong khoa đã nhiệt tình chỉ bảo Đặc biệt là sự hướngdẫn rất nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Hùng đã giúp chúng em hoàn thành đề tàinày

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Mạch điều khiển động cơ bước là sự kết hợp của môn học kĩ thuật số và kỹ thuật tương tự, sơ đồ mạch khá là đơn giản,những phần tử trong mạch được bán rất nhiều trên thị trường , giá thành rẻ và đặc biệt ứng dụng của mạch là rất cao

- Mạch điều khiển động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

- Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa

cứng, ổ đĩa mềm, máy in

2 Đối tượng nghiên cứu:

Động cơ bước

3.Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý, chức năng và tác dụng của động cơ bước

- Tìm hiểu được các chức năng, tác dụng của cá linh kiện thiết bị điện tử

- Hoàn thành sản phẩm là mạch điều khiển động cơ bước :quay thuận ,quay nghịch và quay nhanh ,quay chậm

- Rèn luyện cho sinh viên cách tự học, đi đôi với thực hành và khả năng

- Làm việc theo nhóm

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN CHÍNH TRONG MẠCH

1.1 IC 7805

1.1.1 Sơ đồ chân

Hình 1.1: Sơ đồ chân của IC 7805

Nhìn từ trái qua phải thì lần lượt là chân số 1, 2, 3 của IC

- Chân số 1: Input (chân vào)

- Chân số 2: GND (nối mass)

- Chân số 3: Output (chân ra)

1.1.2 Chức năng

IC 7805 thuộc họ IC78xx là họ IC ổn áp có chức năng tạo điện áp ở đầu ra cố định ởmức (+) xx V

- 78 là họ IC lấy ra điện áp dương (+)

- XX là 2 số của điện áp lấy ra

Do vậy :7805 là IC ổn áp lấy ra điện áp +5 V

Hình 1.2: Sơ đồ mắc IC 7805

Lưu ý: điện áp đầu vào của IC phải lấy lớn hơn điện áp đầu ra 3V trở lên Ví dụ IC

7805 thì Vin phải 8V trở lên

1.1.3 Ứng dụng

Được dùng để thiết kế các bộ nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho các mạch điện không đòi hỏi điện áp ổn định quá cao

1.1.4 Các thông số

Dòng cực đại có thể duy trì 1A

Dòng đỉnh 2,2A

Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

Output voltage (Điện

Hình 1.3: Sơ đồ chân IC NE555

Ic NE555 gồm có 8 chân

-Chân số 1(GND): cho nối mát để cấp dòng cho IC

-Chân số 2 (trigger): ngõ vào của một tần số áp mức áp chuẩn là 2/3*vcc

-Chân số 3(outpt): ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức áp cao (gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân số 1 )

-Chân số 4(reset):dùng làm định mức trạng thái ra khi chân số 4 nối mát thì ngõ ra ở mức thấp khi chân 4 ở mức cao thì trạng thái ngõ ra theo điện áp chân số 2 và 6 -Chân số 5: dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng điện trở ngoài cho nối mass.Tuy nhiên hầu hết các mạch điện chân

số 5 nối qua 1 tụ không phân cực 0.01uf-0,1uf, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn và luôn ổn định

-Chân số 6: là ngõ và cưa 1 tầng so áp khác mức áp chuẩn là Vcc/3

-Chân số 7: có thể xem như là một khóa điện và chịu điều khiển bởi tầng logic khi chân số 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại ,ngược lại thì nó mở ra chân số 7 tự nạp xả điện cho mach R –C như 1 tầng dao động

-Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp nguồn nuôi IC nguồn nuôi cho IC555trong khoảng từ +5v+15v

1.2.2 Một vài thông số

- Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )

- Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

- Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

- Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

- Công suất tiêu thụ (max) 600mW

1.2.3 Chức năng của 555

- Điều chế được độ rộng xung (PWM)

- Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

1.2.4 Tính tần số điều chế độ rộng xung của 555

Hình 1.4: Mạch tạo dao động dùng NE555

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung

- Tần số của tín hiệu đầu ra là f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))

- Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f

- Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì t1 = ln2 (R1 + R2).C

- Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì t2 = ln2.R2.C

- Như vậy trên là công thức tổng quát của 555 ví dụ: để tạo được xung dao động

là f = 1.5Hz Đầu tiên tôi cứ chọn hai giá trị đặc trưng là R1 và C2 sau đó ta tính được R1 Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2

= 33k

Bảng 1.2: Một số thông số của IC NE555

Chú thích:

- Supply Voltage: Nguồn cung cấp

- Supply Current (Low Stable): Dòng cung cấp

- Low Output Voltage: điện áp ra ở mức thấp

- High Output Voltage: điện áp vào ở mức cao

Control Voltage: điện áp chân Control

- Threshold Voltage: điện áp chân Threshold

- Reset Current: dòng ở chân reset

- Reset Voltage: điện áp chân reset

1.3 IC 74LS193

1.3.1 Sơ đồ chân

Hình 1.5: Sơ đồ chân IC 74HC193

IC 74HC193 là IC đếm nhị phân đồng bộ 4bit tiến /lùi

- Chân 16 nối nguồn 5V

- Chân 8 nối mass

- Chân 1, 9, 10, 15 là các đầu vào số liệu A, B, C, D ( hoặc gọi là đầu vào đặt trước) Theo thứ tự từ A đến D thì A là bít có trọng số nhỏ nhất ( 20) và

D là bít có trọng số lớn nhất (23)

- Chân 2, 3, 6, 7 là các đầu ra ( Q0 có trọng số nhỏ nhất)

- Chân 4(CPD): Là chân lấy xung clock và dùng để đếm lùi

- Chân 5(CPU): Là chân lấy xung clock và dùng để đếm tiến

- Chân 14: Để xoá nội dung bộ đếm Khi CLR = 1 thì bộ đếm bị xoá, để bộ đếm có thể đếm được thì CLR phải ở mức 0

- Chân 11: Là chân Load tích cực thấp để điều khiển nạp số liệu đặt trước

vào IC Khi cho Load = 0 các giá trị đặt ở A, B, C, D tương ứng sẽ chuyển

ra các đầu ra QA, QB, QC, QD Sau khi nạp phải chuyển Load sang mức

logic 1 thì bộ đếm mới hoạt động được

- Chân 12, 13: Là đầu ra CO , BO Khi đếm ngược thì CO luôn bằng 1

(vì UP = 1), còn đầu ra BO chỉ nhảy từ 1 xuống 0 khi nội dung bộ đếm

giảm xuống đến 0 và không có xung đếm ở đầu vào Down

1.3.2 Bảng trạng thái

Bảng 1.3: Bảng trạng thái IC 74LS193

Mô tả:

Xung clock ngõ nhập CPUand CPD– tích cực cạnh lên

- Đếm lên: CPDở mức 1 (HIGH)

- Đếm xuống: CPUở mức 1 (HIGH)

- Master Reset (MR): tích cực mức 1 (HIGH) và reset trạng thái bộ đếm về 0000

(ưu tiên cao nhất)

- Các ngõ nhập Preset: P3 P0, các ngõ xuất: Q3 Q0

- Các ngõ xuất Terminal Count (TC): sử dụng khi kết nối 2 hoặc nhiều hơn các

IC để thành bộ đếm với MOD lớn hơn

Hình 1.6: Giản đồ xung IC 74LS193

- Tại thời điểm t0 các FF của bộ đếm đều ở mức 0 LOW) TCU ở mức 1

(HIGH)

- Ngay trước thời điểm t1, ngõ nhập PL có một xung mức 0 (LOW) các chân ngõ xuất Q3– Q0 sẽ được nạp giá trị của các ngõ nhập P3– P0giá trị các ngõ xuất Q sẽ là 1011

- Tại t1, ngõ nhập CPU tích cực cạnh lên (PGT), nhưng bộ đếm không thể đáp ứng lại do tín hiệu PL vẫn còn ở trạng thái tích cực

- Tại t2, t3, t4và t5, bộ đếm đếm lên tại các cạnh lên của CPU

- Sau thời điểm t5, trạng thái bộ đếm là 1111 nhưng TCUchưa xuống mức 0 (LOW) cho đến thời điểm CPU xuống 0 tại t6

- Tại cạnh lên tiếp theo của CPU, bộ đếm về trạng thái 0000

- Chân 1, 2, 3 là các chân đầu vào lần lượt kí hiệu là A0, A1, A2

- Chân 4, 5, 6 là các chân điều khiển

- Chân 15, 14, 13, 12, 12, 10, 9, 7 là 8 đầu ra lần lượt kí hiệu là Y0 đến Y7

1.4.2 Chức năng

- Đây là bộ giải mã 3 sang 8 đường loại vi mạch hay mạch có 3 ngõ vào và 8 ngõ ra, còn được gọi là mạch giải mã nhị phân sang octal (binary to octaldecoder) , với ngõ

ra tích cực ở mức 1

- 74LS138 có công dụng dịch bit logic 0 từ trên xuống và từ dưới lên theo mã

BCD.Nó hay được dùng để hỗ trợ quét

- 74138 là Bộ giải mã/ Bộ phân kênh với đầu vào CS1 được chọn làm dữ liệu đầu vào, 2 đầu vào còn lại: CS2, CS3 duy trì ở trạng thái tích cực Mã địa chỉ là các đầuA0, A1, A2

Hình 1.8: Sơ đồ logic của IC74138

Ngõ ra thì trong bất kỳ trường hợp nào cũng chỉ có một Yn trong 8 Ngõ ra (từ Y0

đến Y7) được đặt ở mức thấp sao cho giá trị n của Ngõ ra tương đương với giá trị của Ngõ vào

Unit 125C

VIH Minimum

High−Level Input Voltage( Điện áp vào mức cao)

Vout = 0.1 V or VCC – 0.1 V

|Iout| 20 A

2.0 3.0 4.5 6.0

1.5

2.1 3.15 4.2

V

VIL Maximum

Low−Level Input Voltage( Điện áp vào mức thấp)

Vout = 0.1 V or CC – 0.1 VV

|Iout| 20 A

2.0 3.0 4.5 6.0

0.5

0.9 1.35 1.8

V

VOH Minimum

High−Level Output Voltage(Điện áp ramức cao)

Vin = VIH or V IL

|Iout| 20 A

2.0 4.5 6.0

1.9 4.4 5.9

2.20 3.70 5.20

VOL

Maximum Low−Level Output

Vin = VIH or V IL

|Iout| 20 A

2.0 4.5 6.0

0.1 0.1 0.1

0.40 0.40 0.40

1.5 IC 7414

1.5.1 Sơ đồ chân

Hình 1.9: Sơ đồ chân IC 7414

- Chân 7 nối mass

- Chân 14 nối VCC

- Các chân đầu vào:1, 3 ,5, 13, 11, 9

- Các chân đầu ra : 12,10, 8, 2, 4, 6

1.5.2 Chức năng

- Ic 7414 đều là cổng NOT dùng để đảo trạng thái đầu vào

- IC 7414 còn là loại chuyển mạch trigger, tức là chỉ chuyển trạng thái khi điện áp vượt ngưỡng điện áp cho phép

Triger sử dụng trong một trường hợp tiêu biểu như sau:

Ic thường nhận hai kiểu tín hiệu là mức 0 tương đương với điện áp 0V, và mức 1 làđiện áp 5V

Nhưng nếu điện áp đầu vào là điện áp giao động, thường là một giá trị giữa 0V và 5V thì sẽ không biết IC xử lý theo mức 1 hay là mức 0 Vì vậy để đảm bảo việc xử

lý tín hiệu đầu vào tốt hơn, các IC kiểu trigger sẽ đặt ra hai điện áp giới hạn trên và dưới, ví dụ giới hạn trên là 3.5V và giới hạn dưới là 0.8V

Nếu trước đó, IC đang hiểu tín hiệu đầu vào là mức 0, thì IC chỉ chuyển sang hiểu tín hiệu đầu vào là mức 1 khi điện áp vượt qua giới hạn trên là 3.5 V Và lúc này, muốn IC hiểu tín hiệu đầu vào là mức 0, thì điện áp phải hạ xuống dưới giới hạn dưới, tức là dưới 0.8V thì IC mới công nhận tín hiệu đó là ở mức 0

1.6 Động cơ bước

1.6.1 Giới thiệu chung

Động cơ bước là loại độngcơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số cácđộng cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến

chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

1.6.2 Phân loại

Về cơ bản có 3 loại động cơ bước: loại từ trở biến đổi (Variable Reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid) Chúng khác nhau ở cấu tạo trong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu và/hoặc lõi sắt với các lá thép stato

Loại có từ trở biến đổi (Variabke Reluctance)

Thông thường có 3 hoặc 4 cuộn dây được nối chung một đầu Đầu chung đựơc nối với nguồn dương, các đầu cũn lại cho thụng với đất để quay Rotor Cả Stator và Rotor đều có răng Rotor được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay

Chiều quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều dũng điện mà chỉ phụ thuộc vàothứ tự cấp điện cho các cuôn dây

Loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm nhưng momet đồng bộ nhỏ

Hình 1.10: Động cơ có từ trở biến đổi

Loại lai (Hybrid).Loại động cơ này về cấu tạo giống với động cơ bước kiểu đơn cực Tuynhiên chỉ có 4 đầura So với động cơ kiểu đơn cực cỡ loại này khụng cú haiđầu ra ở điểm giữa mỗi cuộn dây Ưu điểm của động cơ bước loại này là dòng điện chạy qua cả cuộn dây (cuộn 1, cuộn 2) vỡ vậy tạo được mômen lớn

Hình 1.11: Động cơ loại lai Hybrid

Loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu, điều này cho phép duy trì được momen khi động cơ bị mất năng lượng cấp vào Động cơbước nam châm vĩnh cửu yêu cầu công suất thấp hơn để hoạt động Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn Góc bước của loại này có nhiều mức: 60-450 Trên là

sơ đồ cấu tạo của động cư bước nam châm vĩnh cửu với m=4 và 2p=2

-Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được chia thành:

Động cơ bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor):

-Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor)

-Động cơ bước kiểu hỗn hợp (Hybrid stepping Motor)

-Động cơ bước kiểu bối dây kép (Bifilar Stepper Motor)

Động cơ bước đơn cực có Rotor được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu Chia thành các răng N, S xen kẽ Stator được cấu tạo bởi 2 cuộn dây bố trí trực giao với nhau Mỗi cuộn dây lại được chia thành 2 phần bố trí xuyên tâm đối Giữa các cuộn dây này có một đầu ra để nối với dương nguồn Động cơ loại này thường có 6 đầu ra Đầu 1, 2 thường được nối với cực dương Các đầu 1a, 1b, 2a và 2b được lần lượt nối đất sẽ quyết định chiều quay của động cơ Máy khoan mạch in tự động sử dụng loại động cơ bước này vì động cơ có mạch điều khiển đơn giản, điều khiển dễ dàng, rất rẻ và rất dễ mua trên thị trường

Hình 1.12: Động cơ loại nam châm vĩnh cửu

1.6.4 Chế độ hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước có ba chế độ hoạt động: full step, half step và micro step

FULL STEP

Động cơ hybrid có 200 răng rotor, hoặc 200 bước mỗi cuộc cách mạng của trục động cơ Chia 200 bước vào 360 º quay bằng 1,8 góc bước º đầy đủ Thông thường, full step đạt được năng lượng cả hai cuộn dây trong khi đảo ngược dòng luân phiên

Về cơ bản một xung với trình điều khiển kỹ thuật số là tương đương với một bước HALF STEP

Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ bước quay ở 400 bước mỗi vòng Trongchế độ này, một cuộn dây được năng lượng và sau đó hai cuộn dây phải được cấp điện luân phiên, làm nam châm ở nửa khoảng cách hoặc 0,9 º Mặc dù nó cung cấp mô-men xoắn ít hơn khoảng 30% nhưng chế độ Half step tạo ra một chuyển động mượt mà hơn so với chế độ FULL STEP

1.6.5 Phương pháp điều khiển

Điều khiển full step:

Bảng 1.6: a) Điều khiển full step khi kích từng cuộn một b) Điều khiển full step khi kích 2 cuộn một