Điều khiển tốc độ động cơ bước

Ngày nay lĩnh vực vi điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩmphục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti vi .... Hình

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG I – ĐỘNG CƠ BƯỚC 6

1.1 Động cơ bước 6

1.1.1 Tổng quan về động cơ bước 6

1.1.2 Phân loại và cấu tạo động cơ bước 6

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 9

1.1.4 Ứng dụng của động cơ bước 10

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ bước 11

1.2.1 Điều khiển một bước (full-step) 11

1.2.2 Điều khiển nửa bước (half-step) 13

1.3 Các phương pháp tạo xung điều khiển động cơ bước 15

1.3.1 Tạo xung điều khiển bằng các IC kỹ thuật số 15

1.3.2 Tạo xung điều khiển bằng vi điều khiển 16

CHƯƠNG II – MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 17

2.1 Vi điều khiển AT89C51 17

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển AT89C51 17

2.1.2 Chức năng các chân của 89C51 18

2.1.3 Tổ chức bộ nhớ 20

2.1.4 Các thanh ghi chức năng đặc biệt và các vector ngắt 23

2.2 MOSFET IRF540 25

2.2.1 Sơ lược về MOSFET 25

2.3 OPTO PC817 27

CHƯƠNG III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM 28

3.1 Sơ đồ khối 28

3.2 Khối giao tiếp 29

3.3 Khối điều khiển 30

3.3.1 Chế độ bằng tay 30

3.3.2 Chế độ tự động 32

3.4 Mạch công suất 35

3.5 Tổng kết 36

3.7 Thiết kế mạch in 41

CHƯƠNG IV - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43

4.1 Kết luận 43

4.2 Phương hướng phát triển của đề tài 44

Lời cảm ơn ! 45

Tài liệu tham khảo 46

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh Một trong những thay đổi đáng kể là ViệtNam đã gia nhập WTO, một bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước, để chúng ta - conngười Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là về các lĩnh

vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện - Điện Tử nói riêng

Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ sớm lạc

hậu và nhanh chóng thụt lùi Nhìn ra được điều đó trường “Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên” đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao Để tăng chất lượng học tập của sinh viên nhà trường nói chung và khoa Điện - Điện Tử nói

riêng đã tổ chức cho sinh viên làm các Đồ Án Môn Học nhằm tạo nên tảng vững chắccho sinh viên khi ra trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm

Ngày nay lĩnh vực vi điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩmphục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti

vi nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn

Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đápứng cho cuộc sống tiện nghi của con người Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng nhữngyêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng dụng trong thực tế, nhưng

không quá xa lạ đối với mọi người, đó là : “???????????????????????????????? ”

Do kiến thức và thời gian hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em khôngthể tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những đónggóp ý kiến để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1 Động cơ bước

1.1.1 Tổng quan về động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện một chiều đặc biệt được sử dụng để biến đổi cáclệnh cho dưới dạng xung điện thành sự dịch chuyển dứt khoát về góc quay hay đườngthẳng - như là bước từng bước - mà không cần cảm biến phản hồi

Hình 1.1.1.a - Một động cơ bước 6 đầu dây trong thực tếĐộng cơ làm việc phải có kèm theo bộ biến đổi điện tử dùng để chuyển đổi các cuộn dâyđiều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số theo lệnh đã cho Tốc độ tổng hợp củađộng cơ rô-to động cơ bước tương ứng chính xác với số lần chuyển đổi của động cơ điềukhiển, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự biến đổi Như vậy trong trường hợp tổng quát cóthể xem động cơ bước với bộ điều khiển đổi chiểu điện từ như một hệ thống điều chỉnhtần số của động cơ đồng bộ với khả năng định vị góc xoay cho rô-to, bằng cách thay đổitần số cho đến không

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặcbiệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số, hoặc nhưmột phần tử phụ biến đổi các mã xung tín hiệu điện thành tín hiệu cơ cho một hệ thốngnào đó,

1.1.2 Phân loại và cấu tạo động cơ bước

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trênstator

Hình 1.1.2.a - Cấu tạo của một động cơ bướcDựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:

 Động cơ bước từ trở biến thiên

 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

 Động cơ bước lai

Động cơ bước từ trở biến thiên

Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các răng trênrotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơncác loại khác Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn Tuy nhiên, vì rotor không có từtính nên không có lực từ dư khỉ động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự

do Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5° hoặc 15°

Hình 1.1.2.b - Cấu tạo của động cơ bước có từ trở biến thiên

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trìkhỉ động cơ không còn được cấp điện Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được đỉnh hướngtheo trục với các cực nam và bắc thay đổi

Hình 1.1.2.c - Cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cửuMột số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ

và cung cấp mô men cao hơn Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm,nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt) Các động cơ bướcnam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suât vận hành nhỏ hơn các loại khác Chúng cũng cóđặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm

vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8°; 7,5°, 30°; 45°; và 90°

Động cơ bước lai

Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên vàđộng cơ nam châm vĩnh cửu Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanhtrục động cơ Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor làcực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam Răng rotor được cắt thành hai chén lồi thépđược gắn chặt trên mỗi đầu Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai Các động cơ bước lai có nhỉều răng hơn và có mô men lớn hơn Các góc bước tiêu biểu

là 0,9° va 1,8°

Hình 1.1.2.d - Động cơ bước lai

Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnhcửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8° Độ chính xác của hầu hết các động cơbước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiệnnhờ vào các góc bước nhỏ hơn

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:

 Động cơ bước đơn cực

 Động cơ bước lưỡng cực

Động cơ bước lưỡng cực

Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây, cựctính điện từ cũng bị đảo

Hình 1.1.2.e - Sơ đồ cấu tạo động cơ bước lưỡng cực

Động cơ bước đơn cực

Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực Nó bao gồm hai cuộn dây trênmột cực được kết nối sao cho khỉ một cuộn dây được cấp nầng lượng thĩ cực bắc namchâm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từmạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều Thiết kế này cho phép làm đơngỉản mạch điện tử lái Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dâykiểu lưỡng cực

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Hình sau mô tả hoạt động của động cơ bước đơn giản Trong hình 3a), dòng điện đưavào cực /C và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động cơ ở vị trí như hình 3a) Sau đó,chúng ta tắt dòng điện này đi và chuyển sang cặp /A và A, như vậy động cơ sẽ bị xoay về

vị trí mới do lực từ thay đổi hướng Sau đó đến cặp B và /B Như vậy, bằng cách tạo cácdòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làm xoay roto theo chiều mong muốn, mỗi lầnquay một bước khoảng cách giữa hai cuộn dây sát nhau Như vậy nếu ta đặt các cuộndây càng sát nhau thì ta có độ phân giải càng cao, các động cơ trong thực tế có thể đạt tới

độ phân giải góc 0.72o

Hình 1.1.3.a - Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

1.1.4 Ứng dụng của động cơ bước

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặcbiệt 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, chúng được ứng dụngtrong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ : Điều khiển robot, điều khiển tiêu cựtrong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bámmục 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 đĩamềm, máy in

1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ bước

1.2.1 Điều khiển một bước (full-step)

Điều khiển full-step (wave drive – 1 phase on) :

Trong chế độ này, tại một thời điểm chỉ có một cuộn dây được cấp dòng Cách điềukhiển này đơn giản, nhưng công suất rất thấp vì tại mỗi thời điểm chỉ có một cuộn dây cóđiện, chỉ đạt 25% đối với động cơ bước kiểu đơn cực, và 50% đối với kiểu lưỡng cực

Do đó lực xoắn xinh ra bởi dạng điều khiển này tương đối yếu

Hình 1.2.1.a - Điều khiển kiểu wave drive – 1 phase onDạng sóng điều khiển cụ thể được thể hiện trong hình dưới đây :

Hình 1.2.1.b - Dạng sóng điều khiển kiểu wave drive – 1 phase on

Điều khiển full-step (two phase drive - 2 phase on) :

Trong chế độ này, hai cuộn dây sẽ được cấp năng lượng đồng thời, cho công suất cao hơndạng ở trên do ở mỗi thời điểm luôn có hai cuộn dây kế nhau cùng có điện

Hình 1.2.1.c - Điều khiển kiểu wave drive – 2 phase onDạng sóng điều khiển cụ thể được thể hiện trong hình dưới đây :

Hình 1.2.1.d - Dạng sóng điều khiển kiểu wave drive – 2 phase on

1.2.2 Điều khiển nửa bước (half-step)

Điều khiển nửa bước là sự kết hợp của điều khiển một bước 1 phase on và một bước 2phase on

Kết quả là động cơ có thể di chuyển ở các góc có độ phân giải gấp 2 lần kiểu một bước Tuy nhiên loại điều khiển này tương đối phức tạp hơn một chút

Hình 1.2.2.a - Điều khiển kiểu nửa bước (half-step)

Hình 1.2.2.b - Dạng sóng điều khiển kiểu nửa bước (half-step)

1.3 Các phương pháp tạo xung điều khiển động cơ bước

1.3.1 Tạo xung điều khiển bằng các IC kỹ thuật số

Để thực hiện theo phương pháp này chúng ta cần một xung Clock, xung này thường được tạo bằng IC NE555

Hình 1.3.1.a - Mạch tạo dao động bằng NE555

Sau đó ta cần một mạch chuyển đổi logic và mạch công suất để chuyển đổi xung clock đó thành tín hiệu đủ “mạnh” để điều khiển động cơ bước

Hình 1.3.1.b - Mạch điều khiển động cơ bước sử dụng các IC logic họ 40xx

Hình 1.3.1.c - Mạch điều khiển động cơ bước dùng IC 297 và 298

Và còn nhiều phương pháp khác để xây dựng một mạch điều khiển động cơ bước dùng IC số Các mạch này đều có đặc điểm chung là có nguyên lý hoạt động rõ ràng, dễ hiểu; tuy nhiên có nhược điểm là ít khả năng tùy biến theo yêu cầu của người sử dụng

1.3.2 Tạo xung điều khiển bằng vi điều khiển

Phương pháp này chúng ta không cần mạch tạo xung clock, không cần khối logic

để chuyển đổi xung clock sang tín hiệu điều khiển Vi điều khiển sẽ thay thế cho những khối đó, ta chỉ cần thêm mạch cách ly, mạch công suất và chương trình điều khiển là có thể điều khiển động cơ bước dễ dàng theo mong muốn

Cũng vì ưu điểm có tính tùy biến cao nên trong phạm vi đề tài này em sẽ nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển để điều khiển động cơ bước

1.4 Một số linh kiện sử dụng trong đề tài

1.4.1 Vi điều khiển AT89C51

Vi điều khiển AT89C51 là một biến thể của vi điều khiển 8051, được chế tạo bởi hãngAtmel bằng công nghệ CMOS dựa theo chuẩn công nghiệp MSC51 (linh kiện đầu tiêntheo chuẩn này do hãng Intel của Mỹ chế tạo, Atmel và nhiều nhà sản xuất khác được cấpphép làm nhà cung cấp thứ 2)

* Sơ đồ khối và một số đặc trưng cơ bản của vi điều khiển AT89C51 :

Hỉnh 1.4.1.a – Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C51

 4 Kbytes FLASH

 128 Byte RAM

 4 Port xuất - nhập (I/O port) 8 bit

 2 bộ timer 16 bit

 Có mạch giao tiếp nối tiếp

 Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64 Kbytes

 Không gian nhớ chương trình ngoài 64 Kbytes

 Xử lý bit đơn

 210 vị trí nhớ được địa chỉ có thể định vị trên từng bit

 Cần 4 cho hoạt động nhân hoặc chia

* Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51 :

Hình 1.4.1.b – Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51C

ác Port :

 Port 0 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 32 đến 39 của AT89C51 Trong các

thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường xuất-nhập Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa busđịa chỉ và bus dữ liệu

 Port 1: là port I/O trên các chân từ 1 đến 8 của AT89C51 Port 1 không có chức

năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài

 Port 2 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 21 đến 28 của AT89C51 Được dùng

như các đường xuất - nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bịdùng bộ nhớ mở rộng

Hình 1.4.1.c - Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của 89C51

 Port 3 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 10 đến 17 của AT89C51 Nó có thểđược sử dụng như cổng xuất – nhập, nhưng trong đa số trường hợp nó được sửdụng theo các chức năng đặc biệt tương thích với từng chân của nó

Bảng sau cung cấp các chức năng đặc biệt của cống P3 Thông tin này áp dụng cho cảdòng 8x51 và 8x31:

P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7

Nhận dữ liệu (RXD)Truyền dữ liệu (TXD)Ngắt ngoài 0(INT0)Ngắt ngoài 1(INT1)

Bộ định thời 0 (T0)

Bộ định thời 1 (T1)Ghi (WR)Đọc (RD)

1011121314151617

B0hB1hB2hB3hB4hB5hB6hB7h

- P3.0 và P3.1 : sử dụng tương ứng trong nhận và truyền tín hiệu nối tiếp

- P3.2 và P3.3 : sử dụng tương ứng cho ngắt ngoài 0 và 1

- P3.4 và P3.5 : sử dụng tương ứng cho các bộ định thời 0 và 1

- P3.6 và P3.7 : sử dụng tương ứng trong ghi và đọc các bộ nhớ ngoài

PSEN (Program store enable) :

PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mởrộng, chân này thường được nối đến chân cho phép xuất /0E (output enable) của EPROMhoặc ROM để cho phép đọc các byte mã lệnh PSEN tích cực mức thấp, khi AT89C51 thihành chương trình trong ROM nội thì PSEN sẽ ở mức logic 1 (không tích cực), còn khiAT89C51 thi hành chương trình ở ROM ngoại thì PSEN sẽ ở mức logic 0 (tích cực) trongsuốt thời gian nạp lệnh

ALE (Address Latch Enable ) :

ALE là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng dùng để giải đa hợp (demultiplexing) bus

dữ liệu và bus địa chỉ Khi 8951 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có chức năng là busđịa chỉ và bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ởchân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khikết nối chúng với IC chốt Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao độngtrên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống

/EA (External Access):

/EA là tín hiệu ngõ vào ở chân 31 của vi điều khiển AT89C51 có tác dụng chọn vùngROM để thực thi chương trình Nếu EA ở mức 1, vi điều khiển AT89C51 thi hànhchương trình từ ROM nội Nếu EA ở mức 0 (và PSEN cũng ở múc 0), vi điều khiểnAT89C51 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng Chân /EA được lấy làm chân cấpnguồn 12V khi lập trình cho FLASH bên trong vi điều khiển AT89C51

Tổ chức bộ nhớ :

Các vi điều khiển đều được dùng làm thành phần trung tâm trong các thiết kế, trong đó

bộ nhớ có dung lượng giới hạn, không có ổ đĩa và hệ điều hành, chương trình điều khiểnphải thường trú trong ROM nên các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành haikhông gian nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Cả hai bộ nhớ chương trình và dữliệu đều đặt bên trong chip, tuy nhiên ta có thể mở rộng bộ nhớ ngoài lên tới 64 Kbytes

được truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ nhờ thanh ghi con trỏ

Hình 1.4.1.d – Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển AT89C51

Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối đa 64Kbyte.Với vi điều khiển AT89C51, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵn trong chip có kíchthước là 4Kbytes

Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình Vi điều khiểnAT89C51 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip là 128byte và có thể mở rộng với bộ nhớ

dữ liệu ngoài lên tới 64kByte

* Vùng RAM nội :

Hình 1.4.1.e – Sơ đồ phân bố RAM nội bên trong vi điều khiển AT89C51

 RAM đa dụng : gồm 80 bytes có địa chỉ từ 30h đến 7Fh, có thể truy cập mức byte

bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

 RAM có thể định địa chỉ bit : gổm 16 bytes có địa chỉ từ 20h đến 2Fh, vùng này

có thể dùng như vùng RAM đa dụng tuy nhiên thực tế vùng này hay được sử dụngcho các hàm ngắt

 Các bank thanh ghi : gồm 4 bank thanh ghi : bank 0 từ 00h đến 08h, bank 1 từ

08h đến 0Fh, bank 2 từ 10h đến 17h, bank 3 từ 18h đến 1Fh (tổng cộng là 32 bytes

có địa chỉ từ 00h đến 1Fh) Các bank thanh ghi này được đại diện bằng các thanhghi từ R0 đến R7 Sau khi reset hệ thống mặc định sử dụng bank 0 Tại một thờiđiểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuất, việc thay đổi các bank thanh ghi

có thể thực hiện bởi thanh ghi trạng thái chương trình PSW Các bank thanh ghicũng có thể sử dụng như vùng RAM đa dụng

* Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR – Special Funtion Registers) :

Hình 1.4.1.f – Các thanh ghi chức năng đặc biệtCác thanh ghi có thể định địa chỉ bit sẽ có địa chỉ bit bắt đầu (LSB) và địa chỉ byte trùngnhau

* Các thanh ghi chức năng đặc biệt :

 Thanh ghi A (Acumulator) - thanh ghi tích lũy : là thanh ghi được sử dụng nhiềunhất trong AT89C51

 Thanh ghi B : là thanh ghi được sử dụng cho các phép toán nhân và chia, nó cũng

có thể dùng như một thanh ghi tạm, chứa các kết quả trung gian

 Thanh ghi PSW (Program Status Word) - thanh ghi trạng thái chương trình : chứacác cờ nhớ phục vụ việc thực hiện các phép toán số học và các bit cho phép chọnbank thanh ghi

 Thanh ghi SP (Stack Pointer) - thanh ghi con trỏ stack

 Thanh ghi DPTR (Data Pointer) - thanh ghi con trỏ dữ liệu

 Các thanh ghi Port : được kết nối trực tiếp với các port (phần cứng)

 Thanh ghi SBUF (Serial Data Buffer) - thanh ghi port nối tiếp : là thanh ghi lưutrữ tín hiệu tạm thời khi truyền – nhận dữ liệu

 Các thanh ghi định thời (Timer Register) : là các thanh ghi phục vụ cho các bộtimer bên trong vi điều khiển AT89C51

Ngoài các thanh ghi đặc biệt trên, vi điều khiển AT89C51 còn có hệ thống thanh ghi điều khiển bao gồm các thanh ghi sau :

 Thanh ghi IE (Interrupt Enable) – thanh ghi cho phép ngắt : là thanh ghi cho phéphay không cho phép chương trình tiến vào ngắt

 Thanh ghi IP (Interrupt Priority) – thanh ghi ưu tiên ngắt : là thanh ghi cho phépchọn mức ưu tiên khi có 2 hay nhiều ngắt xảy ra đồng thời

 Thanh ghi TCON (Timer Control) – thanh ghi điều khiển ngắt : là thanh ghi chophép điều khiển các vector ngắt bên trong vi đều khiển AT89C51

 Thanh ghi TMOD (Timer Mode) – thanh ghi chế độ timer : là thanh ghi cho phépchọn chế độ hoạt động cho các bộ timer 0 và 1 bên trong vi điều khiển AT89C51

 Thanh ghi SCON (Serial Control) – thanh ghi cổng nối tiếp : là thanh ghi điềukhiển hoạt động của cổng nối tiếp

 Thanh ghi PCON (Power Control) – thanh ghi điều khiển nguồn : thanh ghi chophép lựa chọn chế độ hoạt động của phần cứng của vi điều khiển AT89C51

Sự cho phép hoạt động của các ngắt được quy định bởi thanh ghi IE

Chế độ hoạt động của ngắt được quy định bởi thanh ghi TCON

Các ngắt được thực hiện khi ngắt được cho phép hoạt động và cờ ngắt tương ứng đượcphát hiện; nếu 2 cờ ngắt cùng được phát hiện thì ngắt có mức ưu tiên cao hơn sẽ đượcthực thi; nếu một ngắt đang được thực hiện thì nó sẽ và chỉ bị ngắt khi có một cờ ngắt cómức ưu tiên được phát hiện

Hình 1.4.1.g – Bảng vector ngắt của vi điều khiển AT89C51

Trong đề tài này, chúng em sử dụng vi điều khiển AT89C51 làm thiết bị điều khiển cho động cơ bước kiểu đơn cực

1.4.2 MOSFET IRF540

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thôngthường mà ta đã biết Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT Đối vớitín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựatrên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thíchhợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

Mosfet được chia làm 2 loại là Mosfet kênh dẫn N (NMOS) hoặc Mosfet kênh dẫn P(PMOS) Hoặc dựa theo nguyên tắc hình thành kênh dẫn mà có Mosfet kênh đặt sẵn(kênh giàu) hoặc Mosfet kênh không đặt sẵn (kênh nghèo) hay Mosfet kênh cảm ứnghoặc Mosfet kênh tăng cường

Hình 1.4.2.a – Cấu tạo, hính ảnh thực tế và ký hiệu trên sơ đồ mạch của Mosfet

* Nguyên lý hoạt động :

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện cơbản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóngcắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng

Mạch điện tương đương của Mosfet Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vàocác tụ điện ký sinh trên nó

Ở đây em không trình bày chi tiết cấu trúc bán dẫn của nó để nó đóng hoặc mở Có thểhiểu đơn giản như sau :

+ Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs < 0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

+ Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs > 0 Điện áp điều khiển đóng

là Ugs 0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh Nđiện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs 0

Ưu và nhược điểm của Mosfet :

* Ưu điểm :

- Tốc độ chuyển mạch nhanh, tần số làm việc cao

- Tổng trở vào lớn, tổn hao thấp

- Tuổi thọ cao nếu được tính toán tốt

- Có ưu thế về giá so với IGBT nếu không yêu cầu công suất cao

* Nhược điểm :

- Bị hạn chế về điện áp

- Chịu quá tải kém, nhạy cảm với nhiệt độ

Một số thông số quan trọng cần lưu ý khi sử dụng Mostfet :

Drain to Source breakdown voltage : điện áp một chiều lớn nhất cho phép trên cực Drain

và Source Khi tính toán thường lấy hệ số điện áp an toàn tối thiểu là 1.5

Countinuous Drain current : dòng một chiều liên tục lớn nhất chảy qua Mosfet, giới hạnbởi tổn hao, thường cho ở 25oC và 100oC

Pulsed drain current : dòng điện xung lớn nhất chảy qua Mosfet, phụ thuộc vào độ rộngxung, giới hạn bởi diện tích an toàn (Safe Operating Area – SOA)

Gate to Source voltage : điện áp điều khiển giữa cực Gate và Source, thường lớn nhất là20V, thực tế hay đặt khoảng 10V, khi Mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp điềukhiển tăng cao cần mắc thêm diode zener để ghim điện áp

Max Power Dissipation : công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm mát tốt nhất,thường chọn ở 25oC

Linear Derating Factor : hệ số suy giảm công suất tỏa nhiệt theo nhiệt độ, thương khoảng0.7 đến 2.5 W/oC

Operating Junction and Storage Temperature Range : giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp giáp,thường từ -55oC đến 175oC

Peak dioderecovery dv/dt : giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diode mắc giữa cực Drain vàSource, thường nhơ hơn 5 V/ns

Static Drain to Source on Resistance : điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn

Rise time and Fall time : thời gian chuyển mạch của van từ trạng thái khóa sang trạngthái dẫn và ngược lại

Total Gate Charge : Điện tích tổng cộng của các tự điện ký sinh trên cực Gate tại một giátrị Uđk nhất định, thường cho ở 10V

1.4.3 OPTO PC817

Opto là loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diode hay một phototransitor Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suấtnhư khối công suất nhỏ (dòng nhỏ, điện áp 5V) với khối điện áp lớn dòng lớn và áp lớn

Hình 1.4.3.a - Hình ảnh opto trong các bản vẽ và hình ảnh thực tế

Nguyên lý hoạt động của opto là: Khi đặt điện áp 5v vào chân 1,2 của opto làm cho led sáng xảy ra hiệu ứng quang điện làm cho 2 chân 3 và 4 thông nhau Dòng điện chân 4 sẽ qua chân 3 của opto.Nhờ vậy tín hiệu 2 mạch là mạch lực và mạch điều khiển liên lạc được với nhau mà vẫn đảm bảo cách ly về mặt dòng điện điện áp giữa

2 khối

CHƯƠNG II – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM

2.1 Sơ đồ khối

Hệ thống điều khiển động cơ bước là hệ thống điều khiển vong hở, không có phản hồi

Hình 2.1.a – Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước

Trong phạm vi đề tài em chỉ nghiên cứu thiết kế phần mạch điều khiển động cơ bước, cáckhối nguồn sẽ do người sử dụng tự thêm vào

Chức năng các khối trên sơ đồ

Khối giao tiếp : Nhận lệnh từ người sử dụng và chuyển lệnh đó tới thiết bị điều khiểndưới dạng tín hiệu số

Khối điều khiển : Nhận tín hiệu điều khiển từ khối giao tiếp, tiến hành xử lý tín hiệu rồiđưa tín hiệu điều khiển tối khối công suất thông qua khâu cách ly

Khối công suất : Nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển, thực hiện khuếch đại biên

độ điện áp vào dòng điện tới mức đủ để điều khiển động cơ bước

Khối cách ly : Thực hiện cách ly mạch công suất và mạch điều khiển

Khối

giao tiếp

Khốiđiều khiển

Khốicách ly

Khốicông suất

Động cơbước

công suất