Thiết kế chế tạo động cơ bước dùng ic số

ộnđg cơ bước dùng ic số, thiết kế động cơ bước, mạch nguyên lí , mạch in Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường.Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng yên

Khoa Điện - Điện tử

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

(kỹ thuật số)

08 tuần

Tên đề tài: Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển động cơ bước dùng IC số

Nội dung yêu cầu: - Sử dụng 01 động cơ bước 2 pha 6 đầu dây

- Sử dụng các nút nhân để lựa chọn thay đổi tốc độ và chiều quay động cơ

- Nguồn điều khiển 5VDC

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nghành kỹ thuật điện –điện tử đóng vai trò rất quan trọng trong thực tiễn ứng dụng cuộc sống Bộ môn kỹ thuật số được đưa vào giảng dạy rộng rãi ở các trường đại học kỹ thuật trong cả nước, tuy nhiên những ứng dụng của kỹ thuật điện –điện tử vẫn chưa được khai thác triệt để trong nước

.và một trong những ứng dụng quan trọng đó là ứng dụng của điều khiển động cơ bước, nó sử dụng rộng rãi đặc biệt là trong các nghành kĩ thuật như điện tử công nghiệp, điều khiển robot Trong quá trình tham gia học tập tại trường ĐHSPKT Hưng Yên được sự chỉ đạo của nhà trường của khoa điện –điện tử, đặc

biệt là sự chỉ đạo, hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo Trần Ngọc Thái giao cho đề tài đồ án môn học :”

Thiết kế, lắp ráp mạch điều khiển động cơ bước dùng IC số” Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên

cứu đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài của mình

Nội dung đề tài thực hiện gồm những phần sau :

1.Sử dụng các linh kiện điện tử cơ bản

2.Hiển thị tốc độ quay thông qua led đơn

3.Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch

4.Có điều khiển thay đổi tốc độ

Với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiện chưa tích lũy được nhiều nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong được sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của thầy giáo ,cô giáo và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Hùng Nguyễn Đình Hùng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên

Trần Ngọc Thái

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ……… … ………2

Nhận xét của giảng viên hướng dẫn………….………3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hưng yên …ngày … tháng…năm …

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

− Khái niệm: Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

− 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.

− Hoạt động: Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có

độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

− Ứng dụng: Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá,Điện tử công nghiệp, 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, 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

− Phương pháp điều khiển:

+ Dễ thiết kế, điều khiển…

+ Nhiều nguồn linh kiện giá vừa phải

+ Dễ kiểm tra, sửa chữa

− Nhược điểm :

+ Dòng ra nhỏ

+ Khó bo mạch bởi nhiều linh kiện

+ Khó xác định được thời gian của 1 xung

+ Thường chỉ điều khiển cho động cơ bước loại nhỏ

1.2 Mục tiêu của đề tài

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

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

- Hoàn thành sản phẩm là mạch điều khiển động cơ bước: Tăng tốc ,giảm tốc,đảo chiều…

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

1.3 Kế hoạch thực hiện

-Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết chung của mạch điều khiển động cơ bước Bao gồm nguyên tắc hoạt

động của mạch và một số mạch để đưa ra lựa chọn tốt cho đề tài làm đồ án

-Bước 2: Tìm hiểu về các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụng trong mạch trên, từ đó tính toán lựa chọn các linh kiện, thiết bị đạt yêu cầu sử dụng trong mạch

-Bước 3: Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm vẽ mạch professional, Eagle 6.6.0 từ đó đưa ra cách vẽ mạch điều khiển động cơ bước và hoàn thành bản mạch in của mạch

-Bước 4: Sau đã có bản mạch in tiến hành thi công hoàn thành sản phẩm

CHƯƠNG2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

2.1 ĐIỆN TRỞ

2.1.1 Khái niệm:

- Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử, chúng có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng tuỳ theo vị trí của điện trở trong mạch

2.1.2 Phân loại:

Có 5 loại điện trở chính:

- Điện trở than ép

- Điện trở than

- Điện trở màng kim koại

- Điện trở oxit kim loại

- Điện trở dây quấn

2.1.3 Đặc điểm của điện trở

- Điện trở làm việc phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, do đó trị số thay đổi khi có dòng chảy qua do có hiện tượng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt trên thân điện trở

- Giá trị điện trở còn thay đổi theo thời gian hay trong những điều kiện đặc biệt theo tần số tín hiệu xoay chiều tác động lên nó

2.1.4.Hình dạng thực tế một số loại điện trở

Bảng 2.1 Hình dạng thực tế của một số điện trở

1 0 5 W 6 , 8 1 0 W

Điện trở thang Điện trở công suất Điện trở công suất Biến trở

2.1.5 công suất của điện trở.

Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công xuất P tính được

Hình 2.1 điện trở cháy đo quá công suất+ Ở sơ đồ trên cho ta thấy : Nguồn Vcc là 12V, các điện trở đều có trị số là 120Ω nhưng có công xuất khác nhau, khi các công tắc K1 và K2 đóng, các điện trở đều tiêu thụ một công xuất là

2.2.2 Hình dạng thực tế

2.3 TỤ ĐIỆN

2.3.1 Khái niệm

-Tụ điện là một loại linh kiện thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử,

có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng từ trường

-Kí hiệu là C

Biểu thức xác định: Zc =

C f

Hình 2.3 Hình dạng thực tế của tụ gố

2.Tụ hóa

Hình 2.4 Hình dạng thực tế của tụ hóa

2.3.3 Phân loại tụ điện

- Có rất nhiều phương pháp phân loại, ở đây ta phân loại dựa trên cơ sở chất chế tạo bên

trong tụ diện thì có các loại sau :

- Nhóm tụ mica, tụ selen, tụ cemamic nhóm này làm việc ở khu vực tần số cao tần

- Nhóm tụ sứ, sành.giấy dầu: nhóm này hoạt động ở khu vực tần số trung bình

- Tụ hóa làm việc ở khu vực tần số thấp

2.3.4 Đặc điểm của tụ điện :

- Dùng để tích điện, và xả điện, chỉ cho tín hiệu xoay chiều đi qua, ngăn dòng một chiều

- Khả năng nạp, xả điện nhiều hay ít phụ thuộc vào điện dung C của tụ

- Đơn vị đo điện dung của tụ ở mạch: pF(picro Fara),nF(nano Fara), (micro Fara) Điện tử gồm

- Khi sử dụng tụ phải quan tâm đến hai thông số :

Điện dung: Cho biết khả năng chứa điên của tụ

Điện áp: cho biết khả năng chịu đựng của tụ

- Ghép nối tiếp

- Ghép tụ song song

- Ghép tụ hóa nối tiếp thì dương tụ này vào âm tụ kia, song song thì nối cùng cực

2.4.DIODE

2.4.1Cấu tạo diode tiếp điểm

Đế là một chất bán dẫn N phía trên phiến đế người ta dùng một thanh kim loại hóa trị 3 có tiết diện rất nhỏ ( cỡ µm) Tại vùng tiếp xúc đó tạo thành một chất bán dẫn P Thanh kim loại được nối với cực dương (Anot), còn đế được nối với cực âm (Katot)

- Đặc điểm của diode tiếp điểm:

+ Tiếp giáp PN rất nhỏ

+ Dòng điện đi qua diode nhỏ

+ Điện dung ký sinh nhỏ

+ Cho tần số cao dễ đi qua

Ký hiệu và hình dáng của diode bán dẫn :

Hình 2.5 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

2.4.2 Ứng dụng của diode

Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu có dạng :

Hình 2.6 Diode cầu trong mạch chỉnh lưu điện xoay chiều

2.4.3 Đặc tuyến Von-Ampe của diode

- Đặc tuyến Von-Ampe của diode biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua diode và điện áp đặt vào hai đầu diode (HV)

Nối tiếp điốt bán dẫn với 1 nguồn điện áp ngoài qua 1 điện trở hạn chế dòng, biến đổi cường

độ và chiều của điện áp ngoài, người ta thu được đặc tuyến Von-Ampe của đốt có dạng hình vẽ Đây là 1 đường cong có dạng phức tạp, chia làm 3 vùng rõ rệt: Vùng (1)ứng với trường hợp phân cực thuận vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược và vùng (3) được gọi là vùng đánh thủng tiếp xúc p-n

2.4.4 Một số loại diode:

1.diode tách sóng:

Là loại Diode nhỏ vở bằng thuỷ tinh và còn gọi là diode tiếp điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P – N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu

2.diode nắn điện:

Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz, Diode này thường

có 3 loại là 1A, 2A và 5A

3.Diode Varicap ( Diode biến dung )

Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode

Hình Ứng dụng của Diode biến dung Varicap ( VD )

5 Diode Zener

* Cấu tạo

Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P

- N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược, khi phân cực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện

áp cố định bằng giá trị ghi trên diode

Hình dáng Diode Zener ( Dz )

Ký hiệu và ứng dụng của Diode zener trong mạch.

+Sơ đồ trên minh hoạ ứng dụng của Dz, nguồn U1 là nguồn có điện áp thay đổi, Dz là diode ổn

áp R1 là trở dòng

+Ta thấy rằng khi nguồn U1 > Dz thì áp trên Dz luôn luôn cố định cho dù nguồn U1 thay đổi.+Khi nguồn U1 thay đổi thì dòng ngược qua Dz thay đổi, dòng ngược qua Dz có giá trị giới hạnKhoảng 30mA

+Thông thường người ta sử dụng nguồn U1 > 1,5 => 2 lần Dz và lắp trở hạn dòng R1 sao chodòng ngược lớn nhất Dz<30mA

Nếu U1 < Dz thì khi U1 thay đổi áp trên Dz cũng thay đổi

Nếu U1 > Dz thì khi U1 thay đổi => áp trên Dz không đổi.

6 Diode Thu quang ( Photo Diode )

thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode

Ký hiệu của Photo Diode

7 Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED )

phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA

Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv…

Hinh 2.7 Diode phát quang LED

-Ta thấy họ 78 có 3 chân :có hai chân vào và 1 chân ra (chung nhau dây âm )

chân ra ) khi đó tại chân sẽ cho ta hiệu điện thế mà chúng ta cần theo từng loại chức năng của

họ 78

Cách đọc chân của họ 78

Ví dụ

7805 là IC ổn định điện điện áp đầu ra luôn là 5v

7812 là điện áp ở cửa ra là 12v (điện áp đưa vào >12v)

7812 đầu vào nằm trong khoảng (12v-36v) nếu các bạn cho cao thì 78 sẽ không hoạt động lâu

nên bạn cần phải lắp tản nhiệt cho nó

Đọc chân :nếu ta đặt 78 như hình vẽ dưới đây :

2.5.2 HÌnh dạng thực tế

Chân số 1 gọi là chân vào (in)

Chân số 2 gọi là chân mát (GND)

Chân số 3 gọi là chân ra (out)

2.6 IC NE555

2.6.1.giới thiệu về ic NE555

IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và

có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác

2.6.2 Mạch dao động

Mạch dao động là mạch dao động sử dụng các linh kiện để phát ra tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiển các thiết bị Có nhiều dạng tín hiệu xung được phát ra từ mạnh dao động, như xung sin, xung vuông, xung tam giác

Ta có sơ đồ khối sau:

Hình 2.9 Sơ đồ khối của NE555

2.6.3 Sơ đồ chân IC555

IC NE555 gồm có 8 chân

- Chân số 1 (GND): Nối mase

- Chân số 2 (TRIGGER): Lối vào thay đổi trạng thái xung nối ra

- Chân số 3 (OUTPUT): Ngõ ra, trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao (gần bằng mức

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 Tôi lấy 1 ví dụ nhỏ là: 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 (Tính toán theo công thức)của NE555

2.7.LED

1 Hoạt động của led

Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn.Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ

lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các

điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và

dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) 2.Tính chất

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn

LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao Do

đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra

Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa cho đồ điện tử dân dụng

2.8 Tranzitor :

hai chuyển tiếp P – N, ghép công nghệ xen kẽ nhau Hai lớp bán dẫn ngoài cùng là cùng loại, lớp giữa là lớp bán dẫn khác loại,người ta lối ra 3 điện cực: Emiter (E), Bazơ (B), Colector (C)

Tranzitor có hai loại hai: đó là tranzitor thuận và transitor ngược

+ xét tranzitor ngược (NPN): Tranzitor là loại linh kiện bán dẫn, gồm

Hình 2.11 Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode

Chiều dòng điện quy ước tại các cực

Chuyển động của các hạt âm của lớp N tại cực E xảy ra hai vấn đề:

+ Đến chung hòa với các hạt dương của lớp P của cực B, nhưng do mật độ hạt dương ở đay quá ít nên số hạt âm của lớp N (xuất phát từ cực E) sẽ tiếp tục xuyên dẫn đến cực dương của nguồn E2 tạo nên dòng IB (quy ước ngược lại)

+ Số hạt âm của lớp N xuất phát từ cực E sau khi tham gia tạo nên dòng IB sẽ xuyên lấn sang lớp

N của bên cực C để đến cực dương của nguồn E1 (do thiết kế giá tri E1 >>E2 tức là VC >> VB ) cho nên lực hút của nguồn E1 rất lớn đủ kéo các hạt âm của lớp N tại cực E xuyên dẫn sang cực C

- Khi ta điều chỉnh thay đổi VP tức là thay đổi được độ lệch áp UBE = VB – VE → dòng IE sẽ thay đổi theo tương ứng→ IC cũng thay đổi theo tương ứng.

- Nếu UBE tăng → số hạt âm của lớp N tại cực E sẽ dẫn xuyên qua lớp tiếp giáp P – N tạo nên dòng IE tăng → dòng IC tăng.

- Khi tăng UVE dòng tham gia lớn hơn 0,8V thì tất cả các hạt âm của lớp N tại cực E bị hút hết →

IE tăng bão hòa → IC tăng bão hòa

- Nếu UBE giảm → số hạt âm của lớp N tại cực E khó xuyên qua lớp tiếp giáp P – N hơn → dòng

Những IC chứa cổng NOR như:IC7402,7427,7428,4001B.

+ IC7402,7428 chứa 4 cổng NOR 2 đầu vào , điện áp hoạt động 5v

+ IC7427 chứa 4 cổng NOR 3 đầu vào, điện áp hoạt động 5v

+ IC4001B chứa 4 NOR 2 đầu vào ,hoạt động từ 3->15v

2.10 IC 74194

2.10.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.11 Sơ đồ chân IC 74194

Chân 16 nối nguồn 5V, chân 8 nối mass IC có một chân đếm tiến và một chân đếm lùi Chân 2

là chân quay thuận , chân 7 là chân quay ngược Khi đưa xung Clk vào chân 11 và chân 9 nối dương nguồn thì bộ đếm sẽ quay thuận Và ngược lại khi đưa xung vào chân 11 và chân 10 nối dương nguồn thì IC sẽ quay ngược

Các chân 3,4,5,6 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)

Các chân 12,13,14,15 là các đầu ra ( Q0 có trọng số nhỏ nhất)

Chân 1 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

2.10.2 Chức năng của IC74194

Hình 2.12 Sơ đồ chân IC 74194

IC là thanh ghi dịch vạn năng lưỡng hướng 4-bit

- Có khả năng dịch trái, dịch phải

- Cho phép truyền dữ liệu nối tiếp, song song đồng bộ

- Dễ dàng mở rộng cho cả hoạt động nối tiếp và song song

- Cho phép Reset Master không đồng bộ

- Cấu tạo PC817 gồm 1photodiode và 1 phototransister khi có dòng qua photodiot, ánh sang

phát ra từ photodiot sẽ làm phototransister dẫn

- Đặc tính dòng điện và điện áp như hình trên:

2.12.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

- Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động

cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các 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

2.12.1 Hoạt động

- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

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

máy in

2.12.3 Phân loại

- Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ

chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm

vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng

làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên

ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào Hầu hết các động

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 kỳ

- Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước Cả hai loại động

cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc‐

cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp

- Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;

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 dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ

thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này

a Phân loại và cấu tạo :

- Giới thiệu :

+ Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có loại động

cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu) Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không

cần cấp điện cho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không

có nút trung tâm Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực

+ Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau

đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ

- Động cơ biến từ trở :

+ Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 3.1, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục

+ Dấu thập trong hình 2.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1 Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2

+ Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng :

đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế

Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 3.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số

răng rotor và số cực stator tối thiểu Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho

phép động cơ quay với góc nhỏ hơn Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các

răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ

- Động cơ đơn cực :

+Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.2, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

Hình 2.2

+ Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này Từ đây, khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và

bên trái động cơ Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,

xếp xen kẽ trên vòng tròn

+ Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn Người ta cũng đã tạo ra được động

cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến 1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ

+ Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy

+ Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc Cả hai dãy nêu trên

sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần

+ Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên

+ Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu

ở một trong hai dãy trên Chuỗi kết hợp như sau :