ĐỒ án ĐỘNG cơ bước 2020

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐỘNG CƠ BƯỚC, phân loại và các cách điều khiển động cơ bước, đồ án báo cáo năm 2020 ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH. Tính toán và công thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC GVHD: TS TRẦN QUANG THỌ SVTH: NHĨM NGUYỄN HỒI PHƯƠNG MSSV: 18542084 TRẦN TẤT THỊNH MSSV: 18542096 TRẦN NGỌC THẮNG MSSV: 18542094 TP HỒ CHÍ MINH – 12/2020 LỜI CẢM ƠN Trước hết, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TRẦN QUANG THỌ, người đã tạo điều kiện cho nhóm em nghiên cứu về đề tài đờ án Ngồi ra, xin cảm ơn đến các thành viên nhóm lớp đã giúp đỡ cũng trao đổi thêm kinh nghiệm quá trình để hồn tất kết đờ án TPHCM ngày 13 tháng 12 năm 2020 Người thực hiện 1.NGUYỄN HOÀI PHƯƠNG 2.TRẦN TẤT THỊNH 3.TRẦN NGỌC THẮNG PHỤ LỤC Phần mở đầu I.Lý chọn đề tài 1.Giới thiệu .5 2.Lý chọn đề tài Phần thân I.Khái niệm .6 1.Động bước 2.Phân loại động bước 7,8 II.Nguyên lý hoạt động 1.Nguyên lý hoạt động 10 2.Cấu tạo .10 2.1.Động biến từ trở 11,12 2.2.Động bước nam châm vĩnh cửu …………………………………… 13 2.3.Động bước hai cực .15,16 2.4.Động bước nhiều pha .17 III.Phương pháp điều khiển 18 1.Điều khiển xung 19 2.Điều khiển mạch cầu H .20 3.Điều khiển PLC 21,22,23,24 IV.Ứng dụng động bước 25,26,27 V.Kết luận……………………………………………………………………28 5.1 Kết đạt được………………………………………………………… 28 5.2 Hướng phát triển………………………………………………………………28 PHẦN MỞ ĐẦU I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Giới thiệu Động bước (stepper motor), thực chất động đồng dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp thành các chuyển động góc quay Được mô tả động điện không dùng chuyển mạch Cụ thể, các mấu động stator, rotor nam châm vĩnh cửu trường hợp động biến từ trở, nó khối làm vật liệu nhẹ có từ tính Tất các mạch đảo phải được điều khiển bên điều khiển, đặc biệt, các động điều khiển được thiết kế để động có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định cũng quay đến bất kỳ vị trí Bên cạnh đó, thực tế có rất nhiều loại động cách điều khiển tốc độ chúng Nhưng động cũng có ưu nhược điểm chúng Trong vài ứng dụng, cần lựa chọn động servo động bước Cả hai loại động đều vì có thể xác định được vị trí xác, chúng cũng khác số điểm Để lựa chọn động bước động servo, phải xem xét số vấn đề, nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Động bước có thể sử dụng hệ thống điều khiển vịng hở đơn giản, vịng kín, nhiên sử dụng động bước hệ điều khiển vòng hở quá tải, tất cá các giá trị động đều bị mất hệ thống cần nhận diện lại Servo motor địi hỏi tín hiệu hời tiếp analog Đặc biệt, điều địi hỏi tắc-cơ để cung cấp tín hiệu hời tiếp về vị trí rotor, số mạch phức tạp để điều khiển sai lệch vị trí mong muốn vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động dao động tắt dần Vì vậy, chúng ta cần giải quyết vấn đề loại để có thể tối ưu hoạt động các loại động cơ, cũng điều khiển chúng Lý chọn tên đề tài Trong năm gần động bước đã được sử dụng rộng rãi phổ biến các hệ điều khiển xác Mọi người phải đờng ý rằng: Động bước (Step Motor) hiện rất thông dụng nhiều ngành cơng nghiệp khác Ví dụ sử dụng trọng hệ thống di chuyển các lại máy cnc máy cắt cnc, máy cắt lazer, máy cắt platma cnc… Động bước được ứng dụng rất nhiều ngành tự động hóa, chúng được ứng dụng các thiết bị cần điều khiển xác Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số các động điện thông thường Đúng cái tên nó, động bước không quay theo chế thông thường, chúng quay theo bước, độ xác rất cao về mặt điều khiển Hoạt động nhờ các chuyển mạch điện tử đưa các tính hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số nhất định Tổng số góc quay rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng chiều quay tốc độ quay rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Tất nhiên chúng tồn tại vấn đề phát sinh việc điều khiển cách có hiệu động này, ưu điểm có, nhược điểm cũng có Vì thế nhóm chúng em chọn đề tài: “ Hệ thống điều khiển tốc độ động bước” Bên cạnh việc được sử dụng phổ biến tài liệu nói về động bước hạn chế Đó cũng khó khăn nhóm làm đề tài Thời gian làm đề tài ngắn kiến thức sinh viên học hệ liên thông cịn chưa đủ chun sâu nên khơng thể tránh thiếu sót Rất mong các bạn thầy đóng góp để đề tài phát triển hơn,đầy đủ Xin chân thành cảm ơn ! PHẦN THÂN BÀI I KHÁI NIỆM Động bước Động bước gì ? Động bước loại động điện có nguyên lý ứng dụng khác biệt với đa số các động điện thông thường Động bước (stepper motor), thực chất động đồng dùng để biến đởi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp thành các chuyển động góc quay Chúng thực chất động đồng dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp thành các chuyển động góc quay các chuyển động rôto, có khả cố định rơto vào các vị trí cần thiết mà khơng cần phản hồi Động làm việc phải có đổi chiều điện tử dùng chuyển đổi các cuộn dây điều khiển động bước với thứ tự tần số theo lệnh đã cho Góc quay tổng hợp rơto động bước tương ứng xác với số lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc vào tần số chuyển đổi Như vậy trường hợp tổng quát có thể xem động bước với điều khiển đổi chiều điện tử hệ thống điều chỉnh tần số động đờng với khả định vị trí góc xoay rôto, tức cách thay đổi tần số cho tới Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đăc biệt hữu hiệu nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa dưới dạng số, phần tử phụ biến đởi tín hiệu xung thành tín hiệu điều chế cho hệ thống đó Loại động hiện được ứng dụng nhiều ngành tự động hóa, đặc biệt các thiết bị cần điều khiển xác Những ứng dụng cụ thể động bước ngành tự động hóa là: thiết bị điều khiển robot, điều khiển định vị các quan hệ trắc, điều khiển tiêu cự các hệ quang học, bám mục tiêu các khí tài quan sát, điều khiển các cấu lái phương chiều máy bay, điều khiển lập trình các thiết bị gia công cắt gọt, hay kết nối động bước với vi điều khiển 8051 Cịn các ngành cơng nghệ máy tính, động bước được sử dụng chủ yếu cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm hay máy in Ngoài động bước được sử dụng rộng rãi các ứng dụng điều khiển đo lường Với nhiệm vụ chức nói trên, động bước địi hỏi u cầu riêng về kĩ tḥt, ngồi yêu cầu chung: - Có bước chuyển dịch bé - Moment đồng hóa đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất thực hiện bước chủn - Khơng tích lũy sai số tăng bước - Tác động quá nhanh - Làm việc đảm bảo có cuộn dây điều khiển nhất - Động điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản Phân loại động bước Tùy theo cấu tạo động bước có loại sau: - Chỉ thị hay động lực - Thuận nghịch hay không thuận nghịch - Có stato hay nhiều stato - Có hay nhiều cuộn dây điều khiển - Roto phản kháng (không có dây quấn)và roto tác dụng (có dây quấn kích thích nam châm vĩnh cửu - Rôto hình đĩa hay rôto mạch in - Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp Động bước được chia thành loại là: Động bước biến từ trở Động bước nam châm vĩnh cửu Động bước hỗn hợp/lai Vì chúng ta có thể phân biệt các loại động cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động nam châm vĩnh cửu dường có các nấc bạn dùng tay xoay nhẹ rotor chúng, động biến từ trở thì dường xoay tự (mặc dù cảm thấy chúng cũng có nấc nhẹ giảm từ tính rotor) Bạn cũng có thể phân biệt các loại động ohm kế Động biến từ trở thường có mấu, với dây về chung, đó, động nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có không có nút trung tâm Nút trung tâm được dùng động nam châm vĩnh cửu đơn cực Động bước phong phú về góc quay Các động nhất quay 90 độ bước, đó các động nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ bước Với điều khiển, hầu hết các loại động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp đều có thể chạy chế độ nửa bước, vài điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hay gọi vi bước Đối với động nam châm vĩnh cửu động biến từ trở, nếu mấu động được kích, rotor (ở khơng tải) nhảy đến góc cố định sau đó giữ nguyên góc đó cho đến moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) động II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1.Nguyên lý hoạt động Khi chuỗi xung được gửi, động bước theo xung Góc mà trục động bước quay cho xung được gọi góc bước, thường được biểu thị độ Nguyên lý hoạt động – Động bước Số lượng xung đầu vào được cấp cho động quyết định góc bước đó vị trí trục động được điều khiển cách điều khiển số lượng xung Tính độc đáo làm cho động bước rất phù hợp với hệ thống điều khiển vòng hở đó vị trí xác trục được trì với số xung xác mà khơng cần sử dụng cảm biến phản hồi Nếu góc bước nhỏ thì số bước vòng quay lớn độ xác vị trí thu được lớn Các góc bước có thể lớn tới 90 độ nhỏ đến 0,72 độ, nhiên, thực tế các góc bước thường được sử dụng 1,8 độ, 2,5 độ, 7,5 độ 15 độ Hướng quay trục phụ thuộc vào chuỗi xung áp dụng cho stato Tốc độ trục tốc độ động trung bình tỷ lệ thuận với tần số (tốc độ xung đầu vào) các xung đầu vào được áp dụng tại các cuộn kích Do đó, nếu tần số 10 Nguyên lý hoạt động động bước nam châm vĩnh cửu Gọi số stato Zs, góc bước động Sđc, góc bước động được tính theo cơng thức sau: Sđc = 360/ Zs Động hai cực 15 Hình Động cực Động nam châm vĩnh cửu hỗn hợp hai cực có cấu trúc khí giống y động đơn cực, hai mấu động được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm Vì vậy, thân động thì đơn giản hơn, mạch điều khiển để đảo cực cặp cực động thì phức tạp Minh hoạ hình cách nối động cơ, đó phần rotor giống y hình Mạch điều khiển cho động đòi hỏi mạch điều khiển cầu H cho mấu; điều được bàn chi tiết phần mạch điều khiển Tóm lại, cầu H cho phép cực nguồn áp đến đầu mấu được điều khiển cách độc lập Chú ý dãy giống động nam châm vĩnh cửu đơn cực, mức độ lý thuyết, mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động giống Để phân biệt động nam châm vĩnh cửu hai cực với động dây biến từ trở, đo điện trở các cặp dây Chú ý vài động nam châm vĩnh cửu có mấu độc lập, được xếp thành Trong bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó động hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối song song, thì đó động hai cực dùng điện thế thấp Nếu chúng được nối tiếp với đầu trung tâm, thì dùng với động đơn cực điên thế thấp 16 2.4 Động bước nhiều pha Hình Động nhiều pha Một phận các động không được phổ biến loại đó động nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành vịng kín hình Thiết kế phổ biến nhất đối với loại sử dụng dây nối pha pha Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho đầu động cơ, động có thể cung cấp moment xoắn lớn so với các loại động bước khác kích thước Một vài động pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500 bước vòng).Với động pha quay mười bước vòng bước Ở đây, giống trường hợp động hai cực, đầu được nối vào cực dương cực âm hệ thống cấp điện động Chú ý rằng, tại bước, có đầu thay đổi cực Sự thay đổi làm ngắt điện mấu nối vào đầu 17 đó (bởi vì hai đầu mấu có điện cực) áp điện vào mấu trạng thái nghỉ trước đó Hình dạng động được đề nghị hình 4, dãy điều khiển điều khiển động quay vòng Để phân biệt động pha với các loại động có dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở đầu liên tiếp động pha R, thì điện trở hai đầu không liên tiếp 1.5R Và cũng cần ghi nhận vài động pha có mấu chia, với 10 đầu dây dẫn Những dây có thể nối thành hình hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm nửa cầu H, nói cách khác mấu có thể được điều khiển vòng cầu H đầy đủ nó Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Điều khiển xung với cuộn Sơ đồ động bước đặc trưng cuộn dây từ tính Để cho xác, phải ln trạng thái ngược cấp điện cuộn ngắt ngược lại.tương tự (tức cuộn với 3,4 18 Bảng thật Sơ đồ bước động JA = C.B + C KA = C + C.B JB = C + C.A KB = CA + C 19 Sơ đồ điều khiển xung động bước Mạch cầu H Mạch mô mạch cầu H dùng IC 89C51 điều khiển nút nhấn kết hợp mạch đếm Sau chương trình cho mạch trên: INCLUDE 89C51.MC ORG 0000H SW1 BIT P3.0 20 SW3 BIT MAIN: P3.2 MOV P2,#00H BEGIN: CALL DELAYDAI MOV P1,#01H MOV P1,#00H JNB SW1,THUAN JNB SW3,DUNG LJMP BEGIN DEM: MOV P0,#01H MOV P0,#00H RET RESET: CALL DELAYDAI MOV P1,#01H MOV P1,#00H LJMP NGHICH RET THUAN: MOV R1,#5 CHAY1: MOV P2,#01H CALL DELAYDAI MOV P2,#03H 21 CALL DELAYDAI MOV P2,#02H CALL DELAYDAI MOV P2,#04H CALL DELAYDAI MOV P2,#0CH CALL DELAYDAI MOV P2,#08H CALL DELAYDAI CALL DEM DJNZ R1,CHAY1 CALL RESET NGHICH: MOV R0,#10 CHAY2: MOV P2,#08H CALL DELAYNGAN MOV P2,#0CH CALL DELAYNGAN MOV P2,#04H CALL DELAYNGAN MOV P2,#02H CALL DELAYNGAN MOV P2,#01H 22 CALL DELAYNGAN MOV P2,#08H CALL DELAYNGAN CALL DEM DJNZ R0,CHAY2 DUNG: MOV P2,#00H LJMP BEGIN DELAYDAI: MOV R5,#4 LAP2: MOV R6,#255 LAP1: MOV R7,#255 DJNZ R7,$ JNB SW1,THUAN JNB SW3,DUNG LJMP TIEP TIEP: DJNZ R6,LAP1 DJNZ R5,LAP2 RET DELAYNGAN: MOV R2,#1 LAP4: MOV R3,#255 LAP3: MOV R4,#255 DJNZ R4,$ JNB SW1,THUAN 23 JNB SW3,DUNG LJMP TIEP2 TIEP2: DJNZ R3,LAP3 DJNZ R2,LAP4 RET END Điều khiển PLC Chúng ta có thể dùng ứng dụng điều khiển động bước PLC hãng Mitsubishi Ngày với phát triển vượt bậc khoa học kĩ thuật, đã có nhiều loại động hiện đại được ứng dụng để điều khiển robot, điều khiển lập trình các thiết bị gia công cắt gọt Có hai loại động bước động DC được ứng dụng nhiều nhất PLC – ED – 4260 để điều khiển tốc độ, chiều quay vị trí Động DC có thể điều khiển quay trái, quay phải, thay đổi tốc độ thời gian điều khiển mong muốn Động bước dùng để điều khiển tốc độ, chiều quay độ phân giải cho đạt giá trị nhỏ nhất, tức điều khiển cho góc/bước nhỏ nhất Tổng số góc quay roto động bước tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng 24 chiều quay tốc độ quay roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Điều khiển động bước với góc quay xác, hiệu suất đạt được cao Động có thể quay được số vòng đã được chọn trước sau đó tự dừng hiển thị số vòng quay lên bảng số IV ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC Động bước được ứng dụng rộng rãi tất các lĩnh vực từ dân dụng đến cơng nghiệp • • • • Các ứng dụng phổ biên động bước Máy công nghiệp : Động bước được sử dụng máy đo ô tô máy công cụ thiết bị sản xuất tự động, máy CNC Bảo mật : sản phẩm giám sát mới cho ngành an ninh Y tế - Động bước được sử dụng bên máy quét y tế, máy lấy mẫu cũng được tìm thấy bên chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, bơm chất lỏng, mặt nạ phịng độc máy phân tích máu Điện tử tiêu dùng : Động bước máy ảnh cho chức lấy nét thu phóng camera kỹ thuật số tự động, máy in 3D Trong vài ứng dụng, cần lựa chọn động servo động bước Cả hai loại động đều vì có thể xác định được vị trí xác, chúng cũng khác số điểm Servo motor địi hỏi tín hiệu hời tiếp analog Đặc biệt, điều địi hỏi tắc-cơ để cung cấp tín hiệu hời tiếp về vị trí rotor, số mạch phức tạp để điều khiển sai lệch vị trí mong muốn vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động dao động tắt dần Để lựa chọn động bước động servo, phải xem xét số vấn đề, nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Ví dụ, khả trở về vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động bước, đó, khả lặp lại vị trí động servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định tắc cô các linh kiện analog khác mạch hồi tiếp 25 Ứng dụng động bước thiết bị cắt gọt (CNC) 26 Ứng dụng động bước thiết bị điều khiển robot V KẾT LUẬN 5.1 kết quả đạt được Ưu điểm 27 • • • • • • • • Do cấu trúc bên chúng, động bước không cần cảm biến để phát hiện vị trí động Khi động di chuyển cách thực hiện các bước cách đơn giản đếm các bước này, bạn có thể có được vị trí động tại thời điểm nhất định Ngoài ra, điều khiển động bước khá đơn giản Động khơng cần trình điều khiển, khơng cần tính toán phức tạp điều chỉnh để hoạt động đúng Nhìn chung cách điều khiển động bước dễ dàng so với các động khác Với microstepping, bạn có thể đạt độ xác vị trí cao, lên tới khoảng 0,007 ° Động bước cung cấp mô-men xoắn tốt tốc độ thấp, rất tốt cho việc giữ vị trí, cũng có t̉i thọ dài Nhược điểm Động bước có thể gặp vấn đề lỡ bước mô-men xoắn tải quá cao Điều tác động tiêu cực đến việc kiểm soát, vì không có cách để biết vị trí thực động Sử dụng microstepping làm cho động bước thậm chí có nhiều khả gặp vấn đề Những động ln tiêu hao dịng điện tối đa không hoạt động, điều làm cho hiệu suất có thể gây quá nhiệt Động bước có mô-men xoắn thấp trở nên khá ồn tốc độ cao Cuối động bước có mật độ công suất thấp tỷ lệ mô-men xoắnquán tính thấp Tóm lại, động bước phù hợp bạn cần giải pháp tiết kiệm chi phí, dễ điều khiển khơng sử dụng với các ứng dụng cần mô-men xoắn tốc độ cao 5.2 Hướng phát triển Để sử dụng động bước có thể được ứng dụng hiệu tăng khả hoạt động cũng khắc phục các khuyết điểm, đề tài cần được nghiên cứu thêm các phần sau: -Mở rộng ứng dụng cho lọc tích cực, ng̀n dự phịng, ởn định điện áp động… -Cải thiện hiệu suất khắc phục hiện tượng quá nhiệt -Cải thiện hiện tượng trượt bước 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO • https://mes.vn/tin-tuc/dong-co-buoc.html#:~:text=%C4%90%E1%BB%99ng %20c%C6%A1%20b%C6%B0%E1%BB%9Bc%20ho%E1%BA%A1t %20%C4%91%E1%BB%99ng,%C4%91%E1%BA%A3o%20chi%E1%BB %81u%20c%E1%BB%A7a%20%C4%91%E1%BB%99ng%20c%C6%A1 • https://huphaco.vn/dong-co-buoc/ • https://baoanjsc.com.vn/du-an/ung-dung-cua-dong-cobuoc_2_70_31608_vn.aspx • https://mesidas.com/dong-co-buoc-step-motor/ • https://cnc24h.com/dong-co-buoc-la-gi • https://vietmachine.com.vn/cac-loai-dong-co-buoc-step-phan-loai-ung-dungva-dieu-khien.html • https://hancatemc.com/dong-co-buoc-la-gi-cau-tao-cua-dong-co-step.html 29 ... phép các bước nhỏ vài độ Các thơng số tính toán: ZR: Số rôto ZS: Số stato M: số pha tR = 360o/ ZR :Bước rôto (độ) TS = 360o/ ZS : Bước stato (độ) H = tR / M =| tR - TS | (Độ /bước) RS =360o... loại động cơ, cũng điều khiển chúng Lý chọn tên đề tài Trong năm gần động bước đã được sử dụng rộng rãi phở biến các hệ điều khiển xác Mọi người phải đồng ý rằng: Động bước (Step... kết nối động bước với vi điều khiển 8051 Cịn các ngành cơng nghệ máy tính, động bước được sử dụng chủ yếu cho các loại ổ đĩa cứng, ở đĩa mềm hay máy in Ngồi động bước được