Thiê ́t kê ́ và lắp ráp mô hình chuyển động tịnh tiến dùng động cơ bước và trục vít me (xác định quãng đường đi và vị trí của chi tiết thông qua chuyển động quay của động cơ)

Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU    -Trong năm gần đây, kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ nhanh chóng, để đạt kết có đóng góp lớn ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý Với phát triển vũ bão kỹ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý xâm nhập vào tất ngành khoa học – kỹ thuật khác đáp ứng hầu hết nhu cầu người dân Sự đời vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh, khả lập trình ngày cao mang lại thay đổi sâu sắc ngành kỹ thuật điện tử Việt nam nước nằm xích đạo, có khí hậu nhiệt đới nên nhiệt độ độ ẩm mùa có chênh lệch lớn, tạo nên khó chịu cơng việc sinh hoạt hàng ngày người dân Để khắc phục vấn đề có nhiều trang thiết bị quen thuộc với sống hàng ngày tủ lạnh, điều hịa, máy sấy,… Để góp phần nhỏ vào việc chúng em lựa chọn thực đề tài “Thiết kế lắp ráp mô hình chuyển động tịnh tiến dùng động bước trục vít me GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp (xác định quãng đường vị trí chi tiết thơng qua chuyển động quay động cơ)” Thông qua đề tài chúng em có điều kiện tốt để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang đường chọn tương lai Trong thời gian nghiên cứu làm đồ án dựa vào kiến thức học trường, qua số sách, tài liệu có liên quan với giúp đỡ tận tình thầy giáo,các bạn đặc biệt với hướng dẫn tận tình thầy Trần Quang Phú chúng em hồn thành đồ án môn học lần Mặc dù cố gắng hoàn thành với kinh nghiệm khả cịn hạn chế nên chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót nhầm lẫn, chúng em mong thầy, cô giáo bạn đóng góp ý kiến quý báu để đồ án mơn học chúng em hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Ngày Tháng Năm 2018 Chữ Ký Giáo Viên Hướng Dẫn GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Động bước 1.1.1 Giới thiệu chung động bước Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số động điện thông thường Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động roto có khả cố định roto vị trí cần thiết Động bước dùng hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hệ thống đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, tải trọng thay đổi điều khiển gia tốc lớn, người ta dùng hệ điều khiển vịng kín với động bước Nếu động bước hệ điều khiển vòng mở tải, tất giá trị vị trí động bị hệ thống phải nhận diện lại, servo motor khơng xảy vấn đề 1.1.2 Cấu tạo Về cấu tạo động bước coi tổng hợp hai động trình bày hình 1.1 - Động chiều không tiếp xúc - Động đồng giảm tốc công suất nhỏ GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Hình 1.1 Hình dạng loại động bước 1.1.3 Hoạt động - Động bước không quay theo chế thơng thường, chúng quay theo bước nên có độ xác cao mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi 1.1.4 Ứng dụng - Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu thực trung thành lệnh dạng số - Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hoá, chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển định vị hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bị gia cơng cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp - Trong cơng nghệ máy tính, động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in 1.1.5 Phân loại - Về có loại động bước: loại từ trở biến đổi (Variable Reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) loại lai (hybrid) Chúng khác cấu tạo việc dùng rotor nam châm vĩnh cửu lõi sắt với thép stato Loại có từ trở biến đổi (Variabke Reluctance) hình 1.2 - Thơng thường có cuộn dây nối chung đầu Đầu chung đựơc nối với nguồn dương, đầu lại cho thụng với đất để quay Rotor Cả Stator Rotor có Rotor làm vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay - Chiều quay động không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho cuôn dây - Loại động có số bước lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm mơmen đồng nhỏ Hình 1.2 Hình ảnh động bước loại có từ trở biến đổi GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp - Loại động cấu tạo giống với động bước kiểu đơn cực với rơto sắt đa mềm Tuy nhiên có đầu Vì nam châm động bước từ trở thay đổi nhỏ nhẹ động bước nam châm vĩnh cửu nên tốc độ chúng nhanh nên moment loại động nhỏ loại động nam châm vĩnh cửu loại lai Hình 1.3 Hình ảnh động bước loại nam châm vĩnh cửu - Nam châm vĩnh cửu tên gọi có nam châm vĩnh cửu thêm vào cấu trúc Rotor khơng cịn có với động VR Thay vào đó, rotor nam châm với cực bắc nam xen kẽ nằm đường thẳng song song với trục rotor Các cực rotor từ hóa cung cấp cường độ từ thông tăng lên động mang lại đặc tính mơ-men xoắn cải thiện so với kiểu từ trở biến đổi Chúng có đặc tính chống rung tốt Góc bước loại nhỏ đạt 1,8/step, 0,72/step Trên hình 1.3 sơ đồ cấu tạo động cư bước nam châm vĩnh cửu GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Hình 1.4 Hình ảnh động bước lai (Hybrid) - Các động bước lai tạo hiệu suất tốt độ phân giải, mô men tốc độ bước Các rotor động bước lai đa (stepper reluctance) biến từ trở có nam châm đồng trục với cực bắc nam xen kẽ nằm đường thẳng song song với trục rotor Răng rotor cung cấp đường tốt giúp hướng dòng chảy từ thơng đến vị trí bánh stator Các loại động bước phổ biến sử dụng nam châm vĩnh cửu lai - Động bước chia thành hai loại theo kiểu dây quấn lưỡng cực đơn cực steppers + Động bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor): + Động bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor) GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Hình 1.5 Động bước kiểu đơn cực (Unipolar Stepper Motor) - Động bước đơn cực có Rotor cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu Chia thành N, S xen kẽ Stator cấu tạo cuộn dây bố trí trực giao với Mỗi cuộn dây lại chia thành phần bố trí xuyên tâm đối Giữa cuộn dây có đầu để nối với dương nguồn Động loại thường có đầu Đầu 1, thường nối với cực dương Các đầu 1a, 1b, 2a 2b nối đất định chiều quay động Máy khoan mạch in tự động sử dụng loại động bước động có mạch điều khiển đơn giản, điều khiển dễ dàng, rẻ dễ mua thị trường Như hình 1.5, dịng điện qua từ đầu trung tâm mấu đến đầu a tạo cực Bắc stator cực cịn lại stator cực Nam Nếu điện mấu bị ngắt kích mấu 2, rotor quay 30 độ, hay bước Để quay động cách liên tục, cần áp điện vào hai mấu đông theo dãy Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 1001100110011001100110011 GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang Mấu 2b Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Hình 1.6 Động bước kiểu lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor) - Với động bước lưỡng cực có cuộn dây pha Các mạch điều khiển cần phải phức tạp để đảo ngược cực từ Điều thực với xếp cầu H, nhiên có số chip điều khiển mua để làm cho nhiệm vụ đơn giản Không giống động bước đơn cực, động bước lưỡng cực có hai đầu dây pha Mạch điều khiển cho động đòi hỏi mạch điều khiển cầu H cho mấu; điều bàn chi tiết phần Các mạch điều khiển Tóm lại, cầu H cho phép cực nguồn áp đến đầu mấu điều khiển cách độc lập 1.1.6 Đặc tính động bước phương pháp điều khiển - Tuỳ thuộc vào mô men yêu cầu trục động tốc độ quay mà ta áp dụng phương pháp điều khiển khác cho động bước Trong vùng tốc độ thấp cần sử dụng phương pháp điều khiển điện áp trực tiếp, dịng điện giới hạn nội trở cuộn dây động Tuy nhiên vùng tốc độ cao, tiếp tục sử dụng phương pháp này, mô men bị giảm nghiêm trọng tính cảm cuộn dây giới hạn khả tăng dòng điện Một phương pháp thường áp dụng để cải thiện tình hình sử dụng điện trở nối thêm vào cuộn dây động GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 10 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp +Bộ Driver (Mạch điều khiển ) Màn hình LCD Driver thiết kế tích hợp sẵn với nhà sản xuất,khi sử dụng cần giao tiếp với Driver qua chân LCD TC16C2 Là loại hình hiển thị 16 kí tự x2 dịng, bao gồm tất kí tự chuẩn số kí tự đặc biệt khơng có kí tự có dấu tiếng Việt Chức nhiệm vụ chân: STT Kí hiệu Chức chân chân Vss Chân nối đất cho LCD, thiết kế mạch ta nối Vdd chân với GND mạch điều khiển Chân cấp nguồn cho LCD, thiết kế mạch ta Vee RS nối chân với VCC=5V mạch điều khiển Lựa chọn độ tương phản hình Chân chọn ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) logic “1” (VCC) để chọn ghi + Logic “0”: Bus DB0-DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD R/w Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động chế độ ghi, nối với logic “1” để LCD chế độ đọc GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 20 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp E Chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus DB0-DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân E + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào(chấp nhận) ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát cạnh lên (low-to-high transition) chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mức thấp 10 11 12 13 14 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Tám đường bus liệu dùng để trao đổi thơng tin với Có chế độ sử dụng đường bus : + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường, với bit DB7 + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 DB7, bit MSB DB7 Tám đường bus liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus : + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7 + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7 15 Vdd Nguồn dương cho đèn GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 21 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp 16 Vss GND cho đèn Bảng 2.1 Chức nhiệm vụ chân Giá trị điện áp: Kí Điều Giá trị chuẩn hiệu kiện Min Typ Max Điện Vdd = 4,7 5,3 áp vào +5v Vdd= Vdd Đơn vị V 2,7 5,3 +3v Dòng cung Idd Vdd= 5V - 1,2 - - mA cấp thời Điện áp Vdd - -200C - 00C 250C 500C 700C 4.2 3,8 3,6 - GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 22 4.8 4,2 4,0 - 5.1 4,6 4,4 - V Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Điện áp led VF 250C - 4,2 4,6 V hình LCD Bảng 2.2 Bảng giá trị điện áp hình LCD 2.2.4 Mơ Q1 R8 NPN Q2 R7 10k NPN 10k LCD1 LM016L VCC VCC +88.8 AREF Q4 NPN 10k Q3 R6 NPN SIMULINO UNO GND R1 thuan VCC 10k R2 R3 10k nguoc 3 10k tang ATMEL www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com ~6 ~5 ~3 TX > RX < DIGITAL (PWM~) ANALOG IN SIMULINO POWER GND A0 A1 A2 A3 A4 A5 ATMEGA328P 5V R5 GND 13 12 11 10 giam ARDUINO RESET tangA0 giamA1 thuan A2 nguoc A3 A4 A5 13 12 ~11 ~10 ~9 7 10 11 12 13 14 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 RS RW E VCC SIM1 VSS VDD VEE GND 10k R4 10k GND * Mơ proteus Hình 2.4 Mơ 2.3 Thiết kế sơ đồ tồn mạch 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý Dựa linh kiện lựa chọn yêu cầu đề cho, chúng em đưa sơ đồ nguyên lý mạch sau: GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 23 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch 2.3.2 Sơ đồ mạch in Hình 2.7 Sơ đồ mạch in GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 24 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp 2.3.3 Nguyên lí hoạt động mạch Các chân INPUT: Dow-> A0 Up-> A1 Thuan -> A2 Nguoc -> A3 Các chân OUTPUT: Out put điều khiển động bước-> 2,3,4,5 Data LCD -> chân 6,7,8,9 RS(LCD)-> chân 12 (Chon ghi LCD) RW(LCD)-> chân 11 (Đọc ghi liệu) E(LCD)-> chân 10 (Cho phép chon LCD) Nguồn điện 220VAC hạ xuống 12VAC sau chỉnh lưu sang 12VDC ổn áp nguồn 12VDC mạch ổn định điện áp để cung cấp nguồn nuôi cho Arduino Nút ấn DOW để giảm tốc độ động bước, ấn nut UP để tăng tốc độ động bước, nút THUAN or NGUOC để thay đổi chiều quay động bước Lúc tốc độ động bước đặt nút ấn Up or Dow Động chạy với vận tốc chiều đặt trước nút ấn đầu vào hiển thị LCD *CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN: // include the library code: #include // initialize the library with the numbers of the interface pins LiquidCrystal lcd(12, 10, 9, 8, 7, 6); #define RW 11 GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 25 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp #define pressed LOW #define released HIGH #define upspeedbutton A0 #define downspeedbutton A1 #define goinfrontofbutton A2 #define goforwardbutton A3 #define fullstep #define halfstep const int steppermode=halfstep; #define stepperspeedmax #define stepperspeedmin #define stack unsigned int stepperspeed=5; const uint32_t stepperround=200,distanceperround=8; uint32_t steppertime=1000*distanceperround/steppermode/stepperspeed/ste pperround; float steppertarget=0 ; char steppermotortarget=4; #define steppera1 #define steppera2 #define stepperb1 GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 26 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp #define stepperb2 bool steppercodea1[8]={0,0,0,0,0,0,1,1,1}; bool steppercodeb1[8]={0,0,0,0,1,1,1,0,0}; bool steppercodea2[8]={0,0,1,1,1,0,0,0,0}; bool steppercodeb2[8]={0,1,1,0,0,0,0,0,1}; void loadLCD() { digitalWrite(steppera1,steppercodea1[0]); digitalWrite(steppera2,steppercodea2[0]); digitalWrite(stepperb1,steppercodeb1[0]); digitalWrite(stepperb2,steppercodeb2[0]); lcd.clear(); lcd.print("Toc : "); lcd.print(stepperspeed,DEC); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Vi tri : "); lcd.print(steppertarget,DEC); } void changespeed() { if(digitalRead(upspeedbutton)==pressed) { delay(10); lcd.clear(); if(digitalRead(upspeedbutton)==pressed) GVHD: TRẦN QUANG PHÚ SVTH : LÊ VĂN BA SVTH :VŨ THÀNH CHUNG Trang 27 Trường ĐH SPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện Tử Đồ án Tích hợp { while(digitalRead(upspeedbutton)==pressed); stepperspeed+=stack; if(stepperspeed>stepperspeedmax) stepperspeed=stepperspeedmax; steppertime=1000*distanceperround/steppermode/stepperspeed/ste pperround; loadLCD(); } } if(digitalRead(downspeedbutton)==pressed) { delay(10); if(digitalRead(downspeedbutton)==pressed) { while(digitalRead(downspeedbutton)==pressed); stepperspeed-=stack; if(stepperspeed8) steppermotortarget=1; //loadstepper(); delay(steppertime); delay(200); steppertarget+=1*distanceperround/stepperround/steppermode; } void steppergoforward() { steppermotortarget ; if(steppermotortarget