BO GIAO DUC VA DAO TAO
TRUONG DAI HOC KY THUAT CONG NGHE TP.HCM KHOA DIEN_DIEN TU NGANH TU DONG HOA 2 2 ek fe k Đá ịc de sk s dc sự fe 2 ee i ie eo aK ok TRAN HAI DANG MSSV:10103037
UNG DUNG DONG CO BUOC VAO DIEU KHIEN VI TRI
Trang 2BO GIAO DUC VA DAO TAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP.HCM Đơc lập - Tự do ~- Hanh phúc
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP Chú ý: SV phải đóng bản nhiệm vụ này vào trang thứ nhất của luận án —_— ~ ‘, — Ho va tén SV: co lt He BANG MSSV: 4040.40.33 — Ngành : ` Lớp : 9.M $4 1 Đầu để luận án tốt nghiệp: _— V2+ 2 Nhiệm vụ ( yêu cầu về nội >1 dung và số liệu ban đầu ) :
8 Th ai tư rắc AMbineds Aig oda a ha ee step 2h
Sey ig ot i MZ tld sel eg pic
“we, PRR a NMC mg AMIZAA dena
« `
3 Ngày giao nhiệm vụ luận án: 01/10/2007
4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 12/01/2008
5 Ho tén người hướng dẫn : Phần hướng dẫn :
Nội dung và yêu câu LATN đã được thông qua NGƯỜI HƯỜNG DẪN CHÍNH
Trang 3NHAN XET CUA GIAO VIEN CUA GIAO VIEN HUONG DAN
TTR RESO RHR ee eH ER CH SH HEHE De eRe ECE EHC HE ROR E EERE RTH E DOERR EEE HERR EHEC HCE SED ORO EOE HERERO COREE ED EDEL OE TOR
a 0609 0600069969609 6696900000066 6006946090006 060900909066400463090060009006966060e626 ng
ĐO ĐO B9 0 0 66606460 0 69 9090906909096 0660089000909 09006 0009009000906 90900 0609009009040 000 %0 000 3006090 0 6 0000609690609 H009 609060096 6e460690966 666
R9 HO HO EC OER RHEE RT ee Ee ee Ree TED ERO EEE TEED EH EEE EE ET DOERR ERE HEE R ERE ESHER E DEDEDE REED Eee eee tebene
en a rr
i ee 6 ĐÓ 6U 6 6000 60 00 m6” 9 68 h4 0 0ê 66666008096 1 eĐ
TSMR TOR eee Ree Eee eae Dd ewe Eo eee H REE DOE HEE REE DEDEDE RHEE HEHE EERE REE HEE EEE DEMO ERED ED ESET OEE E SEEDED eeHene CRO ET ORE OEE THEE HEE EEE RT ERE THE H EH ESET DEED ERE REE HER EEE EERO ER ETOH ESET EERO DED EF ERODE EEE RHEE Cees ese De
ihe ee ee ee ee ee a er rr a re 6Ð
CROC BOHR ERE Eero REE EE DEE EEE HEH THERE HEH EER ER EEE ERE HOTTER ORR E RETO E EE EEE HSE DES ER ERE DEE E SOO EERE De
ihe ee ee ee a 0000800064000 00666609999606 666
CROC PEC RH RE Hee eee Hem Ramee EH ee HEE REDDER OED ER SRO E RET H EERE EER RHEE EES R ERED ED ERED EDO EERE EERO ee Rene
CRORE RD ER eRe eH eRe REE eS eRe eee EH EHH EE HEE HERERO EE REE EE DEEDES E HERE DEE EEE RHEE EEE ETHER HEHEHE ROR O ROO EEE EES ORS
ie ee ars
TERT HOH TORO THT CHAE ee Tee ee He DEERE RET E OEE TET HERO HEHE OEEHE EET E HERE CHEE EEE ERE HOCH HE DH OREE SED EEE Ee eEe®
Trang 4NHAN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIEN a 09 600 008080060 0 60 0 0 0 6406 Ð 060960 000631020809 609006606699004#9seese° inh ihe ee ee a Cree RR OH REN TEER TO EEE EE SOHO ER EH ODER HORE TEE HE DEE EHH EEE ETHER ERE TES OOH EERO EERE EEOC E REEDED e ree Edeeenene a 000000609 060900 090 000905809909096009 6669604609666 se+ 4 HO ĐO 6 60 60 600000005009 09069 S9 9 06 960 866949 60 090099 6 06 0060656089 60 0090969 0400 46 0 0 60029 00690 0 09 6060 0960 0000006960699 06500090606 096096908 609066 me i ———— _ .x x,.,(,., oaqaa SOR CH MH CREE HOT eee Heme Ee EHH eRe REEDS DERE REE DORE ERED HERO E TED RHEE EEOC E 060969090600 20950900909 906096046096909096966røsøose°es a a 62s be errs
TEP CRETE E EHC OE eee ERE OE ETE H REET E DEH O TERE HOD OEE HE CHER ETE HEHEHE CHEESE REE EEE DESH REDE ERO REESE EDO Oe DeDee®
TERS O REHM Ewe REO SHH ee DED HEE EERE DERE EERE DEDEDE HSER EERE REE HER EEO H THEE HES ERED HEHEHE ORE e HEC e Eee ERE eeenee
ihe ee ee ee er 09000666969609609606066e°
TORS R OHH Tm Tee CHE HC Rew ee DEO meee DETER ES REDE FEDER E HERE HEHEHE EEE EMRE REDE HEROES EEO REESE EE TH HOO R OLE CEE Eee REED TES HASH ERE TREE Re DEH ee DDE E ee H REE EE EE HED EEE OE HED ODER E HOT HEHEHE RE REDO REPO SEHR HEHEHE HEHE H RDC C ER Eee hen TERT OR TRH REET CH ae ee Hem ERE RHE REE EH EH ECE OE REE R DEERE HEE EE HERERO HEE EEE SEE HED ED EEE D HOHE DHE e eT eE ED ED HE eee
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu trường ĐH Kỹ
Thuật Công Nghệ ,khoa Điện _ Điện Tử Đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận án tốt nghiệp
Và em cũng xin chân thành cảm ơn thầy TS.Ngô Mạnh Dũng đã sâu sát , nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành luận án tốt nghiệp này
Trang 6LOI NOI DAU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp đã đây chất lượng hàng hóa sản xuất ra lên một tầm cao mới đòi hỏi tính thẩm mỹ và chính xác cao dẫn đến thiết bị máy móc trong sản xuất cũng đòi hỏi phải hiện đại hơn và sai số là thấp nhất Đặc biệt là những thiết bị gia công như máy tiện cnc, phay cnc hay khoan cnc, trong những thiết bị này những giãi pháp điều khiển vị trí được quan tâm hàng đầu và có rất nhiều giải pháp được sử dụng trong đó phố biến nhất phải kể tới là ứng dụng của động cơ bước trong điều khiến vị trí ở những thiết bị này
Động cơ bước có một đặc điểm là có thể điều khiển chính xác rất cao có thể đến 1/1000mm và điều khiển dễ đàng Giá thành \ tương đối, độ bền cao nên được rất
nhiều nhà sản xuất chế tạo máy lựa chọn
Trang 7DE CUONG LUAN VAN TOTNGHIEP
Nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
Nhận xétcủa giáo viên phản biện Lời cảm ơn Lời nói đầu MỤC LỤC CHƯƠNG I1 : ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1 : Giới thiệu: 1.2: các lọai động cơ 1.2.1: Động cơ biến từ trở 1.2.2: Động cơ nam châm vĩnh cửu 1.2.3: Động cơ hai cực 1.2.4: Động cơ nhiều pha
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
2.1: Ba chế độ điều khiển động cơ
2.1.1: Điều khiển cả bước
2.1.2điều khiển nữa bước
2.1.3 điều khiên vi bước
2.2bốn kiểu điều khiển dòng điện I và điện áp U
CHUONG 3: THIẾT KẺ DRIVER CHO ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG IC LMD
Trang 83.2.1: Sơ đồ khối
3.2.2: Phân tích các chânvào ra của sơ đồ khối
3.2.3: Sơ đồ chỉ tiết
3.2.4: Phân tích sơ đồ chỉ tiết 3.2.5: Lưu đồ giải thuật
3.2.6: Chương trinh nap pic
CHUONG 4: THIET KE DRIVER CHO DONG CO BUOC SU DUNG IRF450N 4.1: khái niệm 4.2: thiết ké DRIVER 4.2.1: Sơ đồ khối 4.2.2: Phân tích các chânvào ra của sơ đồ khối 4.2.3: Sơ đồ chỉ tiết
4.2.4: Phân tích sơ đồ chỉ tiết 4.2.5: Lưu đồ giải thuật 4.2.6: Chương trình nạp pic CHUONG 5: TIM HIEU VE VI DIEU KHIEN PIC 5.1: Khai niém 5.2:chức năng cầu trúc cổng vào ra 5.3:các tập lệnh PIC
5.4: nhữnng bước chuẩn bị khi làm việc với PIC
CHUONG 6: UNG DUNG THI CONG MACH DIEU KHIEN HAI ĐỘNG CƠ BUOC SU DUNG IRF NHAM MO PHONG DIEU KHIEN VI TRi TRONG MAY
KHOAN BOARD
Trang 96.2: Thiết kế và thi công mạch
6.2.1: Sơ đồ khối
6.2.2:phân tích sơ đồ khối
6.2.3: Lưu đồ giãi thuật
6.2.4: Sơ đồ chỉ tiết
6.2.5: Phân tích sơ đồ chỉ tiết
6.2.6: Chương trình nạp Pic 6.3: Giao diện điều khiển
6.4: Chương trình viết cho giao diện điều khiển
Trang 10CHUONG 1; DONG CO BUOC CHUONG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1:Giới thiệu: HYBRID STEP MOTOR - CONSTRUCTION ROTOR SECTION ROTOR SECTION REAR ENDCAP ENDCAP STATOR WINDING Hinh 1.1
Động cơ bước được chia làm hai lọai, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở Ta có thể phân biệt hai lọai động cơ bước nói trên bằng cách dựa vào bằng cảm giác mà không cần
cấp điện cho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nất khi dùng tay xoay
nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì đường như xoay tự do Ngòai ra ta
còn có thê phân biệt hai lọai động cơ trên bằng ohm kế Động cơ biến từ trở thường có 03
Trang 11CHUONG I: DONG CO BUOC
a
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 lọai động cơ nam châm vĩnh cữu 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
Các hệ chuyển động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ bước Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tính hiệu điều khiển vào stato theo
một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rofo tương ứng với số lần chuyển mạch Khi một xung điện áp đặt vào cuộn stato thi roto của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy gọi là bước quay của động cơ, đối với động cơ bước vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên roto quay theo các bước
1.2 Các loại động cơ:
1.2.1: Động cơ biến từ trở:
Còn gọi là động cơ phản kháng Cả stato và roto đều có răng Roto được làm bằng
vật liệu dẫn từ có từ trở thay đổi theo góc quay Mỗi răng của sato và roto gọi là một cực
Mỗi pha trên stato được quấn thành 02 cuộn nối tiếp nhau ở vị trí xuyên tâm đối trên stato, thậm chí thành 04 cuộn đôi một trực giao, chiều quay của động cơ không phụ thuộc
vào chiều của dòng điện mà chỉ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện trong các cuộn dây Loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm việc quá cao, chuyển động êm nhưng momen đồng bộ nhỏ Sau đây là hình vẽ của động cơ bước có 03 cuộn dây, được nối như hình vẽ
sau, với một đầu nói chung cho tất cả các cuộn ( nhìn vào hình thì ta có thể nói rằng đây
là động cơ biến từ trở Dấu thập trong hình là roto quay 30 độ mỗi bước, roto của động cơ
này có 04 răng và stato có 06 cực, mỗi cuộn dây quấn quanh 02 cực đối diện Khi cuộn 01 được kích điện, răng X của roto bị hút vào cực 01 Nếu dòng điện qua cuộn 01 ngắt và
Trang 12-2-CHUONG |: DONG CO BUOC a TY cực 02 Để động cơ quay liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 03 cuộn Hình 1.2:Hình dạng động cơ
được mô tả trong hình 1.2, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răng roto và số cực stato 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 roto một cách phù hợp cho phép các bước
nhỏ đến vài độ
1.2.2: Động cơ nam châm vĩnh cửu:
Thường được cấu tạo với stato có dạng hình móng được từ hóa với cực N và § xen
kế nhau, roto thường không có răng, được từ hóa vỉnh cửu vuông góc với trục ( ngang
Trang 13CHUONG 1; PONG CO BUOC
FT Ta asses
Động cơ bước đơn cực, với 5,6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, 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
chiêu từ trường tạo bởi cuộn đó
Dé xử lý góc bước ở mức độ cao hon, roto 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 cữu 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
1.2.2.2: Động cơ hai cực:
Hình 1.4: Động cơ hai cực
Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y như
động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung
tâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi
cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn Minh họa ở hình 1.3 chỉ ra cách nối động cơ,
trong khi đó phan roto ở dây giống y như ở hình 1.2
Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây Một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mau déc
lập, được xếp thành 2 bộ Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là
động cơ hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực
dùng điện thế thập Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với
Trang 14CHUONG I: DONG CO BUOC 1.2.4 Động cơ nhiều pha : 1 LA os 5 sÀ
Hình 1.5: động cơ nhiều pha
Một bộ phận các động cơ không được phô biến như những lọai trên đó là động cơ
nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 1.4
Thiết kế phổ biến nhất đối với lọai này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha Bộ điều khiển cần ⁄2 cầu H cho mỗi đầu ra của động cơ
Giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ, tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực
Sự thay đổi nầy làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đó ( bởi vì cả hai đầu của mấu có
cùng điện cực ) và áp điện vào một mấẫu đang trong trạng thái nghỉ trước đó Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng
Để phân biệt động cơ 5 pha với các lọai động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng,
nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu
không liên tiếp sẽ là 1.5R
1.3: công thức tính góc bước:
a = (360°/ Nr) x N, (1.1)
VỚI:
eN,: là số răng của rô to
Trang 15CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO
CHƯƠNG 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIEN ĐỘNG CƠ BƯỚC
2.1: ba chế độ điều khiển động cơ bước:
Hình vẽ sau nói lên môi quan hệ giữa các vectơ lực điện từ FI, F2 của 2 cuộn dây 1 và 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và vectơ lực điện từ tong F
Hình 2.1: Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước
Trên hình vẽ ta có các đại lượng sau:
F1: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 1 được kích thích F2: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 2 được kích thích F: lực điện từ tổng a: góc bước B : góc cần điều khiển ( góc vi bước ) Fị + Fạ.cosơ Cos B= (2.1) VF,?+F,7+2F, Fp cosa
2.1.1: điều khiển cả bước:
Đầu tiên cho F¿= 0 và F) = F, cos B = E/F = 1 nên B = 0, roto ở vị trí trục cuộn dây 1
Trang 16-6-CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN PONG CO
2 iii
Sau d6 cho F, =0 va F,=F, cosB = cosa hay B = a., roto ở vị trí trục cuộn dây 2.1.2: điều khiển nửa bước:
Đầu tiên cho F¿=0 và F, =F, roto 6 vi tri truc cudn day 1
Tiếp theo cho F¡= Fạ= E
l + cosơ 2 cos” (0/2 )
CosB = ————————— = ————— (2.2)
Ý2(1+ cosd ) 4( 1+ cosơ )
CosB = cos(a/2), B= ơ/2 ; roto ở vị trí chính giữ góc ơ
Sau đó cho F¡=0 và F¿ = F, roto sẽ ở vị trí trục của cuộn dây thứ 2
Trong trường hợp này roto sẽ chuyển động từng bước 0=œ/2 (B = 0, ơ/2, ơ )
2.1.3: điều khiển vi bước:
Cho phép thự hiện các bước nhỏ hơn bằng việc đùng các đòng điện khác nhau
Nếu ta điều khiển sao cho lực F¡ giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F; tăng dần
từng bước từ 0 đến F thì roto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến OB
Trên thực tế, để roto có thể quay được các bước đều, chẳng hạn theo vi bước 0 ( ví dụ 0 =
œ/10 ), thì phải giải phương trình (11) để tìm F¡ và F; ứng với các góc quay B = 0, 20, 30, nØ Phương trình (11) là một phương trình bậc 2 với 2 ẩn số, về nguyên tắc là không
giải được Nhưng với điều kiện biên nhất định phương trình (1 1) sẽ giải được
Đôi với động cơ bước, tín hiệu điện điêu khiên là các xung rời rạc kế tiếp nhau Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển như sau:
e Dòng điện I, kê cả cực tính ( và liên hệ mật thiết với nó là mức điện ap U)
Trang 17CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO
AAA EEE EAE LE ae ee EL Ee ET 0 EE-N -G GGGŒỚớỚớG
Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liên quan đến chiều quay và mômen tai)
Tuy thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau đây:
Trạng thái không họat động: không có cuộn dây nào được cấp điện
e Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều Roto mang tải sẽ
được giữ chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ
e Trạng thái dịch chuyển bước: roto sẽ dịch chuyền từ vị trí bước đang được giữ sang vị trí bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp
e Trạng thái quay qúa giới hạn: trong chế độ không tải nếu xung điều khiển có tần số qúa cao, động cơ sẽ quay vượt tốc Ở trạng thái nầy động cơ không thể đảo chiều, không thê đừng đúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ Muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuống đưới tốc độ tới hạn để họat động trong chế
độ bước
2.2: bốn kiểu điều khiến dòng điễn ¡ và điện áp u:
Trong số liệu kỹ thuật của động cơ bước ta chú ý đến 4 tham số sau:
e Đện áp danh định U
Trang 18CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO RR Kì Vee +———Wyy’- _0-”" 0 3H
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý cấp điện cho 1 cuộn dây pha Trên hình vẽ trên ta có các giá trị như sau:
e Vcc: điện áp nguồn cấp e Rs: điện trở nguồn cấp
e D: diot dumper ( làm nụ 3i năng lượng ) |
e Ki: chuyển mạch điện tử cho cuộn day pha thir i
Khi ở trạng thái giữ, khóa K đóng liên tục, người ta thường cấp dòng điện I hoặc điện áp
U bang 65% đến 100% giá trị danh định
Vì là dòng một chiều nên ở chế độ giữ, điện cảm L không làm sụt áp, ta có công thức tính như sau:
Vecc= IRs + LR (2.3 )
Vecc= IRs + U (2.4)
2.2.1: điều khiển dòng áp bằng hệ sé L/R ( hằng số thời gian ):
Đây là cách đơn giản nhất, chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất rất nhỏ ( ví dụ
điêu khiên đọc ô đĩa, chỉnh tiêu cự ông kính v v )
Trang 19-9-CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO
|
Bản chất của kiểu điều khiển này là khi ở trạng thái giữ thì nguồn chịu tải chính Rs, khi dịch chuyển bước thì nguồn chịu tải chính là cảm kháng ZI
Muốn cho động cơ quay tốc độ cao thì phải chọn Vcc lớn, trên thực tế là bằng 7 đến
15 lần điện áp danh định U Do đó khi ở chế độ giữ, công suất tiêu tán trên mỗi điện trở
nối tiếp Rs rất lớn
Công suất tổn hao nầy một mặt lãng phí, mặt khác có thể làm nóng và cháy điện tở nối tiếp Rs
2.2.2: điều khiển đòng áp bằng độ rộng xung:
Ở chế độ dịch bước, cuộn dây pha được cấp một xung có độ rộng sao cho roto có thé dich
được bước Nghĩa là dong I dat dén mtrc Io < I <I max
Sau khi dịch bước, ở chế độ giữ Ta không cấp dong một chiều ( như phương án hệ số L/R ) mà cấp xung điện áp cao và tần số cao hơn Lúc nầy điện cảm L của cuộn dây pha
có tác dụng như một bộ lọc tích phân và dòng điện trung bình làm nhiệm vụ sinh ra mômen giữ
Kiêu điêu khiến nây có một sô nhược điểm sau:
e Mạch điều khiển phức tạp, đòi hỏi transito làm nhiệm vụ khóa điện tử phải có chế
độ đóng ngắt nhanh công suất lớn
e Trong thời gian giữ, từ trường thay đổi liên tục làm nóng động cơ, đồng thời transito
đóng ngắt cũng liên tục phải chịu các xung điện áp thuận nghịch khá cao nên ở
mức độ nào đó cũng bị nóng
e Các xung điện cao áp và tần số cao cùng với từ trường thay đổi liên tục gây nhiễu
radio và nhiễu điện từ trường, làm cho mạch điều khiển không họat động được
Trang 20-10-CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN PONG CO
MIINEEEEIEENEHENINNNINNNNEUEEEENIIIN00/009000N000000000000909/0/009000000N00000000000S00000W00NNNNNANHOHDODhiiuiiiiuiiiiiogioiininuiniiiibigbiuiiig0 0000000000 DD0DDDNNDEIGDOGGOGNGOHIOOHGOOODOOGH
2.2.3: điều khiển đòng áp bằng điện áp hai mức:
Khi ở chế độ giữ, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp thấp , đúng bằng điện áp danh định
U, và do đó dòng điện cũng đạt mứt danh định nhưng không có công suất tiêu tán trên nguồn ( do điện trở trên nguồn bằng 0 )
Khi ở chế độ dịch bước, đồng thời với việc cấp xung điều khiến, ta cấp cho cuộn dây pha
Trang 21CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO TTY Xa Chuyên bước giữ >6 Chuyển pha Vv Vv ty tị ts
Hình2.5: Giản đồ xung điều khiển điện áp 2 mức
Tại thời điểm tạ khi cuộn dây pha được cấp dòng để chuyển bước, ( xung X„ lên 1 ), xung
X4, cũng lên 1 để cấp điện áp cao Vụ„ bằng bóng bán dẫn Tì Lúc này điôt D tự động khóa nguồn U đo có phân cực nguge (V,,.> U ); thì bộ so sánh C1 xuất ra xung Xps xóa tín hiệu
Xc, T¡ ngắt điện áp cao Vục ra khỏi mạch, (tại thời điểm t¡ ), lập tức diôt D đóng nguồn
thấp U để duy trì trạng thái giữ của roto Xung điều khiển Xa vẫn được duy trì cho đến
khi việc điều khiển được chuyên sang cấp điện cho pha khác và thôi không cấp điện cho pha này ( tại thời điểm t;)
Điêu khiên băng điện áp hai mức như trên có ưu điểm lớn là: e Mach điêu khiên đơn giản, họat động chuân xác
e Hầu như không có công suất tiêu tán lãng phí, đo đó có thể lắp cho các lọai động cơ
công suất lớn
e Ít gây nhiều radio và nhiễu điện từ trường
Tuy nhiên nó không áp dụng được cho chế độ vi bước và mạch phức tạp khi áp dụng
cho trường hợp điều khiển động cơ hai pha
Trang 22-12-CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN DONG CO
Sa a
2.2.4: diéu khién dong áp bằng nguồn dòng:
Nguôn dòng là bộ nguồn, luôn xuât ra một gía trị dòng điện không đôi Iuuạ¿ Điện áp ra của nó chính là điện áp U¡ rơi trên tải R¡:
U; = Loonst Ry ( 2.5)
Một nguồn dòng lý tưởng phải có U¡ —> œ Nhưng thực tế điện áp ra của nguồn dòng
luôn có giới hạn Umax va do d6 dién tré tải cũng phải có giá trị cực đại Rmax để thỏa mãn:
Tconst -Ñ max < Umax ( 2.6 )
Nếu R¡> max thi dong ra ïị < lụng Điều này giải thích tại sao ngay cả khi được cấp bằng nguồn dòng, roto của động cơ bước cũng khgông thể quay tức thì Sẽ giải thích chỉ tiết hơn ở phần dưới đây)
Sơ đồ đơn giản khi cuộn dây pha được cấp bằng nguồn dòng I cont cuon day dong co Xdk ( K) A D2A +
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng nguồn dòng
Thông thường mỗi cuộn dây pha được cấp một nguồn dòng riêng biệt có l¿ons¿= Ï
Trang 23-13-CHUONG 2: CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN PONG CO
aia
Khi ở chế độ giữ, Xav= 1 làm cho bóng bán dẫn T mở liên tục, trong cuộn dây có dòng
không đổi I, điện áp U¡= U =IR
Khi ở chế độ không kích họat ( ngắt ), Xa= 0, bóng bán dẫn T ngắt mạch, trong cuộn dây không có dòng điện chạy, U;= Umax
Khi ở chế độ quay liên tục, giả sử xung điều khiển Xạy là xung vuông có tân sô hài cơ bản
là f thì điện áp U¡ tính gần đúng ( bỏ qua các hài bậc cao )
Uz VC.RY +0 2a fl Y (2.7)
Thời điểm bắt đầu dich bước ( khởi động ), sườn lên của xung điều khiển Xq, dung dimg
Quá trìnhqúa độ đó làm cho roto động cơ bước không thé lập tức quay ngay được, Sau qúa trình quá độ rất ngắn này, động cơ chuyển sang chế độ giữ ( với dòng điện I = lcong: )
mà không cân phải có một tín hiệu điêu khiên nào khác Những ưu điêm như:
e Giải pháp duy nhất để điều khiển động cơ bước ở chế độ vi bước, lúc đó ngòai các
xung điều khiên Xạy ra còn phải điêu khiên cả dòng I nagy trong nguôn dong e Khi điều khiến không cần phải quan tâm đến độ rộng xung X„,., mà chỉ cần bật lên
hoặc tắt Xđk, mà chỉ cần bật lên hoặc tắt Xđk khi có yêu cầu dịch bước Điều này
tạo rât nhiều thuận lợi cho việc thiết kế mạch điều khiển
e Khó khăn lớn nhất là thiết kế chế tạo bộ nguồn dòng có điều khiển cho chế độ điều
khiên vi bước
Trang 24-14-CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDI8245
CHUONG 3:
THIET KE DRIVER CHO DONG CO BUGC SU DUNG IC LMD18425 3.1:Khai niém:
Driver của động cơ bước là một mạch lái chuyên đổi xung điện thành nhữnng chuỗi
xung tín hiệu mệnh lệnh để thực hiện chuyện động quay của mô tơ Mô tơ bước có thể
quay theo hai chiều, thậm chí có thể đảo chiều khi đang quay theo chiều nào đó Việc cho quay theo chiều nào hoàn toàn phụ thuộc vào dãy tín hiệu xung điều khiển được đưa ra từ
mạch dẫn động
Động cơ bước là một động cơ chạy bằng dòng và hầu như không phụ thuộc áp chính
vi vay dé đảm bảo động cơ họat động tốt, tính én định của dòng điện phải được đặt lên
hàng đầu trong các ứng dụng công nghiệp động cơ bước thường được sử dụng để điều
khiển vị trí cho các thiết bị có trọng tải lớn chính vì vậy để đảm bảo động cơ không bị bỏ
bước dẫn tới sự sai lệch thì driver phải đảm bảo dòng qua cuộn dây động cơ luôn được én định
Để thiết kế làm được điều đó thì driver mà ta thiết kế phải có cơ chế kiểm soát và điều khiển dòng điện cung cấp cho động cơ , công việc này thật là khó cho người thiết kế
nếu như không được sự hộ trợ của những linh kiện điện tử tích hợp được những chức
năng trên Và một trong những giải pháp được đưa ra là sử dụng IC LMD 18245 của hãng
NATIONAL
Đây là một IC rất phù hợp cho việc thiết kế driver cho động cơ bước với một mạch cầu H và bộ biến đỗi DAC tích hợp bên trong làm cho việc kiểm sóat và điều chỉnh dòng
điện trong cuộn dây trở động cơ cũng như việc đảo chiều , dừng lại của động cơ trở
nên dễ dàng hơn
Trang 25-15-CHUONG 3 TK DRIVER DONG IC LMDI8243 3.2: thiét ké va thi cong DRIVER: 3.2.1:sơ đồ khối: Chuôỗixung bước ) / tiều khiếm LÍ Ì sa ié 3 STEP 5 E 1Á OUT PUT r —>—] > LEA ( số bước) IN aan MODE ,_| CPU up 2A LD OFF —›_] 2B Hình 3.1 sơ đỗ khối driver đùng LMD 18245
3.2.2 : phân tích các đầu vào ra của sơ đồ khối:
Vì sự tiện dụng, mỹ quan và tính chuyên nghiệpnên driver được thiết kế đưới dạng module (nguyên khối) nó chỉ nhận tín hiệu điều khiển chuỗi xung bước cần chạy từ mạch điều khiển trung tâm gửi đến cho driver thông qua cỏng INPUT chân step, chiều quay , mode củ động cơ
Sơ đồ khối mạch lái động cơ bước góm INPUT và OUTPUT như sau
INPUT:
e STEP: đây là chân cấp xung cho driver để điều khiển cho động cơ quay , muốn động
cơ quay bao nhiêu bước thì ta cấp bấy nhiêu xung
e DIR: day là chân tín hiệu quy định chiều quay của động cơ khi DIR=1 động cơ quay thuận và ngược lại
e MODE: đây là chân chọn chế độ điều khiển động cơ (full step, half step , micro step) e HOLD OFF: khi chân này được chọn driver sẽ dừng động cơ lại
Trang 26-CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMD18245
Dựa trên sơ đồ khối ( hình 3.2) và những yêu cầu kỹ thuật để thiết kế driver , em cho
linh(kén như sau :
eCPU: em sử dụng họ VDK PIC của MICROCHIP sản xuất vì nhưng đặc tính nỗi
bật như tiêu tốn năng lượng thấp ,, giá thành phù hợp phổ biến trên thi trường sẽ tìm hiểu ở chương 5
e[C lái động cơ do những yêu cầu vẻ tính ổn định của đòng điện trong điều khiển động cơ bước như đã nói ở phần khái niệm IC LMD 18245 đáp ứng được các yêu cầu nói trên Kiểm soát và điều chỉnh mà động cơ bước chạy bằng nguồn dòng điện
nên động cơ sẽ họat động ôn định
3.2.3: sơ đồ mạch thiết kế chỉ tiết:
Trang 28CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDI8245
3.2.4: phan tich mach:
Vai trò và các kết nối voi PIC 16£877
e Vi điều khiển PIC 16f876 có nhiệm vụ nhận tính hiệu từ mạch điều khiển trung
tâm và xuất ra tín hiệu tới IC lái LMD18245 để điều khiển động cơ theo chương
trình đượclập trình
eOSC 20 là IC tạo tần số đao động được nối với chân số 9 của PIC có giá trị là 20
MHz
Phân tích các vào ra của IC LMD 18245 trong mach:
eLMD 18245 cố thể được hiểu như một IC lái có nhiệm vụ chính dẫn dòng điện
đi qua cuộn dây của động cơ theo chiều xác định là cho động cơ quay , ngọai trừ những chân thông thường, ở sơ đồ trên ta thấycác chân 8,7,6,4 đâ là 4 chân có
chức năng thiết lập các bit M1,2 đến M4 của bộ biến đổi DAC bên trong 4 chân
này được nối tới VĐK PIC và VĐK sẽ cung cấp một số nhị phân 4 bit và bộ
biến đổi DAC sẽ thiết lập một xung có hiệu thế bằng Vpạc ner x D/16 trong đó D là một số thập phân (0-15) được quy đổi từ 4 bit nhị phân MI tới M4
e Chân 13 CS OUT được nối với biến trở qua tụ lọc dùng để điều chỉnh các giá trị ky es ony (4 Hs v4 im Hinh 3.3 So d dòng qua cuộn dây động cơ ` "Od ết nối chân 13 œ> > Ipc=(Vpc ssex D/16) x (250 x 250 x 10°) xR, (3.1)
Với Ipc là dòng qua dây động cơ
eCác chân Vcc được nối lên nguồn 5V là nguồn nuôi mạch lái, chân 9 (MOT
PWR) Là chân nguồn cấp cho động cơ
eChân số 3 được nối với mach dao động RC để tạo chu kỳ xung đóng cắt các khóa mạch cầu H có gia tri:
T= 1.1 x RC (second) (3.2) Các khóa và Jack tín hiệu vào druver
Trang 29-18-CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMD18245
eSW DIP_3: 1a các khóa chọn mode, SW reset là khóa reset driver độc lập không
thay đổi chương trình của mạch điều khiển trung tâm
ejack control input là jack tin hiệu vào điều khiển driver nhận xung từ mạch mach điều khiển trung tâm
Trang 30CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDIS8245 3.3.6: chuong trinh chinh : #include <16F873A.h> #fuses hs, nowdt, nolvp, brownout #use delay(clock=20000000)
#use rs232(baud=9600, xmi(=PIN_ Có, rev=PIN_C7, PARITY=N, BITS =8) static char pos = 0;
static intl16 timer_count=0; static intl mode;
#define step_input PIN_BO
Trang 35CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDIS8245 0b0000, 0b0010, 0b0101, 0b0111, 0b1001, 0b1011, 0b1100, 0b1101, 0b1110, 0b1111 b #INT_EXT // Pin BO interrupt service routine for Step input Active low void ext_isrQ) {
signed int dir;
// chixc ning diéu khién tir xa (mode B2), bang tay (mode B4)
if (input(PIN_B5)) // nếu có tín hiệu tích cực từ B5
mode=inpu(t(PIN B2); / chay chế độ điều khiển từ xa
else
mode=input(PIN_B4); // chạy chế độ manual
Trang 36-25-CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDI8245 //Run if (!mode) // Microstep10 // néu 6 trong cdc hé d6, mode =0 chay kiéu (micro step) {
dir=input(dir_input); // doc tin hiệu chiều quay
if (dir==0) { // néu dir=0
dir=-1;}
pos = (pos + STEPS + dir) % STEPS; //tinh vi tri output_a(PA[pos]); // xuat tin hiệu đến động cơ output_c(PC[pos]); // xuat ra port C } else // chay kiéu full step { dir=input(dir_input); if (dir==0){ dir=-1;}
pos = (stepsF + pos + dir) & (STEPSF-1);
output_a(PAF[pos]); // xuat ra ngỏ ra của driver output_c(PCF[pos]);
Trang 37-26-CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDI8245
assassins
}
timer_count=0; // reset timerl counter
}
#int_timerl //gan timer! 1a một biến
timer_isrQ { // the timer] tran (216) timer_count++; } // tat động cơ void stepper_offQ { output_a(0); output_c(0); }
//Chức năng tự kiểm tra
void self_ diagnosis()
{
signed int dir;
// while(tinput(PIN_B3)) // trong khi B3= 0chức năng tự kiểm tra
Mf
Trang 38CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMD18245 Te // kéo xung vào từ B0 xuống 0 disable_interrupts(INT_EXT); // ¬ if Œinput(PIN_ B4)) // Microstep10 // { dir=input(dir_input); if (dir==0){ dir=-1;}
pos = (pos + STEPS + dir) % STEPS; //
output_a(PA[pos]); // output to driVvers // output_c(PC[pos]); delay_us(200); // dừng 200 us } else // Full step { dir=input(dir_input); if (dir==0){ dir=-1;}
pos = (stepsF + pos + dir) & (STEPSF-1); output_a(PAF[pos]); // xuat ra port A
Trang 40CHUONG 3 TK DRIVER DUNG IC LMDI8245
}
else{
enable_interrupts(INT_EXT); // mở ngắt ngòai
if (timer_count>1500){ // tat driver sau 3 phúi nếu không
output_a(0b0010); // xung gửi ra port A
output_c((PC[pos}] & 0b00001111) | 0b00000000); //laybu gid tri & Port C véi 000000000 rồi xuất ra port C
} }
3.2.7: giới thiệu IC LMD18245
LMD 18245 của hãng NATIONAL SEMICONDUCTOR sản xuất là một IC tích hợp một
mạch cầu H thành một khối rất cần thiết cho việc điều khiển dòng điện của động cơ DC chỗi than hay động cơ bước 1 pha
Cầu H DMOS có thể chịu được điện áp 55v, và dòng ra có thể đạt đến 3A, các khóa đóng cắt với điện trở thâp cho độ nhạy cao và các diode bảo vệ
Với một bộ biến đổi DAC 4 bit cung cấp tìn hiệu để điều khiển dòng điện tải và lựa chọn
các chế độ điều khiển cho động cơ bước như full step, half step, micro step
3.2.7.1: dién gia IC LMD 18245:
e Pin 1, out 1: cyc ra cua ntra mach hau H thir nhat