ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ bước

Hưng Yên- 2021 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án Kỹ thuật điện tử, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Xuân Công, giảng viên Bộ môn Cơ Điện Tử- Trường ĐH SPKT HY người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo trường ĐH SPKT HY nói chung, thầy Bộ mơn Cơ Điện Tử nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cơ, gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành đồ án kỹ thuật điện tử , ngày tháng năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH Mở Đầu lý chọn đề tài - Mạch điều khiển động bước kết hợp môn học kĩ thuật số kỹ thuật tương tự, sơ đồ mạch đơn giản, phần tử mạch bán rất nhiều thi trường, giá thành rẻ đặc biệt ứng dụng mạch rất cao - Mạch điều khiển động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hoá, chúng ứng dụng thiết bi cần điều khiển xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển đinh vi hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bi gia công cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay - Trong cơng nghệ máy tính, động bước sử dụng cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in Đối tượng nghiên cứu: “ Động bước” 3.Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu ngun lý, chức tác dụng động bước - Tìm hiểu chức năng, tác dụng cá linh kiện thiết bi điện tử - Hoàn thành sản phẩm mạch điều khiển động bước: quay thuận, quay nghich quay nhanh, quay chậm - Rèn luyện cho sinh viên cách tự học, đôi với thực hành khả làm việc nhóm Sơ đồ khối CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN CHÍNH TRONG MẠCH 1.1 IC 7805 1.1.1 Sơ đồ chân Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 7805 Nhìn từ trái qua phải chân số 1, 2, IC - Chân số 1: Input (chân vào) - Chân số 2: GND (nối mass) - Chân số 3: Output (chân ra) 1.1.2 Chức IC 7805 thuộc họ IC78xx họ IC ởn áp có chức tạo điện áp đầu cố đinh mức (+) xx V - 78 họ IC lấy điện áp dương (+) - XX số điện áp lấy Do :7805 IC ởn áp lấy điện áp +5 V Hình 1.2: Sơ đồ mắc IC 7805 Lưu ý: điện áp đầu vào IC phải lấy lớn điện áp đầu 3V trở lên Ví dụ IC 7805 Vin phải 8V trở lên 1.1.3 Ứng dụng Được dùng để thiết kế nguồn đơn giản cung cấp điện áp cho mạch điện không đòi hỏi điện áp ổn đinh cao 1.1.4 Các thông số Dòng cực đại có thể trì 1A Dòng đỉnh 2,2A Công suất tiêu tán cực đại không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W Công suất tiêu tán ổn áp nối tiếp tính sau: Pd = (Ui – Uo) I Trong đó: Ui – áp lối vào Uo – áp lối I – dòng sử dụng Bảng 1.1 Một vài thông số IC7805 1.2 IC NE555 1.2.1 Sơ đồ chân Hình 1.3: Sơ đồ chân IC NE555 Ic NE555 gồm có chân - Chân số 1(GND): cho nối mát để cấp dòng cho IC - Chân số (trigger): ngõ vào tần số áp mức áp chuẩn 2/3*vcc - Chân số 3(outpt): ngõ trạng thái ngõ xác đinh theo mức áp cao (gần mức áp chân 8) thấp (gần mức áp chân số ) - Chân số 4(reset): dùng làm đinh mức trạng thái chân số nối mát ngõ mức thấp chân mức cao trạng thái ngõ theo điện áp chân số - Chân số 5: dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối mát Tuy nhiên hầu hết mạch điện chân số nối qua tụ không phân cực 0.01uf-0,1uf, tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn đinh - Chân số 6: ngõ cưa tầng so áp khác mức áp chuẩn Vcc/3 - Chân số 7: có thể xem khóa điện chiu điều khiển tầng logic chân số mức áp thấp khóa đóng lại ,ngược lại mở chân số tự nạp xả điện cho mach R –C tầng dao động - Chân số (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp nguồn nuôi IC nguồn nuôi cho IC555 khoảng từ +5v+15v 1.2.2 Một vài thông số - Điện áp đầu vào : - 18V ( Tùy từng loại 555 : LM555, NE555, NE7555 ) - Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA - Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V - Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V - Công suất tiêu thụ (max) 600mW 1.2.3 Chức 555 - Tạo xung - Điều chế độ rộng xung (PWM) - Điều chế vi trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại) 1.2.4 Tính tần số điều chế độ rộng xung 555 Hình 1.4: Mạch tạo dao động dùng NE555 Nhìn vào sơ đồ mạch ta có cơng thức tính tần số , độ rộng xung - Tần số tín hiệu đầu f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) - Chu kì tín hiệu đầu : t = 1/f - Thời gian xung mức H (1) chu kì t1 = ln2 (R1 + R2).C - Thời gian xung mức L (0) chu kì t2 = ln2.R2.C - Như công thức tổng quát 555 ví dụ: để tạo xung dao động f =1.5Hz Đầu tiên chọn hai giá tri đặc trưng R1 C2 sau ta tính R1 Theo cách tính tốn ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k Bảng 1.2: Một số thông số IC NE555 * Chú thích: - Supply Voltage: Nguồn cung cấp - Supply Current (Low Stable): Dòng cung cấp - Low Output Voltage: điện áp ở mức thâṕ - High Output Voltage: điện áp vào mức cao Control Voltage: điện áp chân Control - Threshold Voltage: điện áp chân Threshold - Reset Current: dòng chân reset - Reset Voltage: điện áp chân reset 1.3 IC 74LS193 1.3.1 Sơ đồ chân Hình 1.5: Sơ đồ chân IC 74HC193 IC 74HC193 IC đếm nhi phân đồng 4bit tiến /lùi 10 Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử - Chế tạo động đơn giản, tốn kém, dễ điều khiển - Tốc độ quay tỉ lệ tần số xung đầu vào Nhược điểm - Rất khó để hoạt động tốc độ cao - Cần phải chế tạo điều khiển, nên tốn chi phí 1.6.7 Ứng dụng Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động bước cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu có thể thực trung thành lệnh đưa dạng số Động bước ứng dụng nhiều ngành Tự động hoá, chúng ứng dụng thiết bi cần điều khiển xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự hệ quang học, điều khiển đinh vi hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển lập trình thiết bi gia cơng cắt gọt, điều khiển cấu lái phương chiều máy bay Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Chương 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ BƯỚC 2.1 Sơ đồ khối Xây dựng triển khai sơ đồ khối nêu phần mở đầu 2.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch nguyên lý hoạt động Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 2.2.2 Nguyên lý hoạt động Điện áp xoay chiều 220V hạ áp máy biến áp 12V/1A sau qua diot chỉnh lưu cầu thành điện áp chiều ic ổn áp 7805 để ổn đinh điện áp +5V cung cấp cho mạch động lực mạch điều khiển Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Quay thuận: lấy xung CLOCK từ chân IC NE555 Gạt cơng tắc đê xung CLK kích vào chân 5(count up) IC74193 lúc đếm đồng bit nhi phân bắt đầu đếm từ trạng thái 0000 đầu QA QB đưa tới đầu vào A, B IC 74LS138 giải mã bắt đầu hoạt động Đầu Y0 IC74138 mức 0(các đầu còn lại mức 1) cồng not IC 7414 đảo trạng thái 01 kích vào cuộn động quay bước1 Tiếp theo đếm thực đếm tới 0001 đầu A B C 74138 100, lúc Y1 mức (các đâu còn lại mức 1) qua cổng đảo thành mức kích cho kích vào cuộn động quay bước Cứ đếm tới 0011 động quay xong bước Khi đếm tới 0100,1000,1100 trình quay bước lặp lại Quay nghich: tương tự quay thuận xung CLK kích vào chân 74193 để thực đếm lùi từ 1111 0000 làm động quay ngược Để tăng giảm tốc độ động ta thay đổi giá tri biến trở VR12 2.3 Tính tốn, chọn lựa linh kiện 2.3.1 Khối động lực Động bước sử dụng động nam châm vĩnh cửu với / step Uđm= 5V, Iđm= 1A Công suất cực đại động cơ: Pmax=U.I=5 1=5 W Do ta có thể chọn U= 5V I=1A  Công suất động P=5.1=5 W Điện áp đinh mức: 5VDC Số pha Tỷ lệ biến thiên tốc độ 1/64 Góc di chuyển 5.625 ° / 64 Tần số 100Hz Điện trở DC 50Ω ± 7% (25 ℃) Chạy khơng tải Tần số> 600Hz Khơng kéo ngồi Tần số> 1000Hz Mô-men xoắn kéo vào> 34,3mN.m (120Hz) Mô-men xoắn tự đinh vi> 34,3mN.m Mô- men xoắn 600-1200 gf.cm Mô- men xoắn kéo vào 300 gf.cm Cấp cách điện A Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Tính tốn: Động có Tỷ số truyền 64 Góc nghiêng 5,625 ° nên động có 4096 bước Số bước = Số bước Một vòng quay * Tỷ số truyền Bước = (360 ° / 5.625 °) * 64 "Tỷ số truyền" = 64 * 64 = 4096 2.3.2 Khối khuếch đại Khối khuếch đại gồm Trasistor cơng śt Tip122 a) Giới thiệu Típ 122 Transistor TIP122 darlington transistor thuộc loại transistor NPN TIP122 có Uc cực đại = 100V dòng Ic cực đại = 5A Hệ số khuếch đại hFE darlington transistor TIP122 thấp nhất 1000 Thứ tự chân từ trái qua phải: B C E Hình 2.2: Sơ đồ chân Tip122 b) Một vài thông số kỹ thuật transistor Các thông số kỹ thuật Transistor - Dòng điện cực đại : Là dòng điện giới hạn transistor, vượt qua dòng giới hạn Transistor bi hỏng - Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn transistor đặt vào cực CE , vượt qua điện áp giới hạn Transistor bi đánh thủng - Tấn số cắt : Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc bình thường, vượt tần số độ khuyếch đại Transistor bi giảm - Hệ số khuyếch đại : Là tỷ lệ biến đổi dòng ICE lớn gấp lần dòng IBE -Công xuất cực đại : Khi hoat động Transistor tiêu tán công xuất P = UCE ICE công xuất vượt công xuất cực đại Transistor Transistor bi hỏng c) Tính tốn thơng số Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Hình 2.3: Sơ đồ phân cực cho transistor Với giả thiết VCC=5V,VBB= 3.5V,R2=330ohm,R1=3 ohm,VBE=2,5V,ICmax=5A,IBmax=120mA Ta có phương trình rơi áp R2: VBB=R2.IB+VBEIB=(VBB-VBE)/R2=(3,5-2,5)/330=3mA Giả sử transistror làm việc chế độ bão hòa VCE=2 V Ta có phương trình rơi áp R1 VCC=IC.R1+VCEIC=(VCC-VCE)/R1=(5-2)/3=1A Kiểm tra lại IC(KĐ)=hFE.IB=1000.3mA =3A > IC(BH) Giả thiết Công suất BJT: PBJT=IB.VBE+IC.VCE=310-3.2,5+1.2=2w Công suất tổn hao: Pth=VCE.ICE=2.0,510-3=1mW Công suất tải: PR1=R1.IC2=3.12=3W 2.3.3 Khối điều khiển a) Bộ đếm bít nhị phân tiến/lùi Đếm nhi phân đồng hay còn gọi đếm song song Đếm khơng đồng có nhược điểm tốc độ chậm có q trình trễ qua FF Để khắc phục nhược điểm người ta dùng mạch đếm song song,nghĩa xung nhip tác động đồng thời vào FF Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Đếm tiến: Hình 2.4: Đếm tiến nhi phân đồng modul 16 Tuy xung nhip tác động đồng thời vào FF trigơ có J=K=1 chuyển trạng thái Từ sơ đồ ta có điều kiện chuyển trạng thái trigơ đếm sau: FF A chuyển trạng tái với xung CLK FF B chuyển QA=1 FF C chuyên QA=QB=1 FF D chuyển trạng thái QA=QB=QC=1 Như FF chuyển trạng thái tất lối Q FF trước đồng thời 1.Qúa trình đếm tiến mơ tả sau: Khi tác dụng chân CLR QD QC QB QA=0000 Khi có xung nhip tác động FF A chuyển trạng thái từ lên 1, FF B, C, D khơng chủn trạng thái J=K=0,khi trạng thái lối đếm sau kết thúc xung thứ nhất là:0001 Khi có xung nhip tác động FF B chuyển trạng thái từ lên nên B A chuyển trạng thái QA:10, QB: 01 FF D C chưa chuyển trạng thái Vậy sau kết thúc CLK2 trạng thái lối đếm là: 0010 Và đếm đếm đến trạng thái:1111 quay lại 0000 Đếm lùi Hình 2.5: Đếm lùi nhi phân đồng modul 16 Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Từ sơ đồ ta có điều kiện chuyển trạng thái trigơ đếm sau: -FF A chuyển trạng tái với xung CLK -FF B chuyển QA=0 -FF C chuyên QA=QB=0 -FF D chuyển trạng thái QA=QB=QC=0 Như FF chuyển trạng thái tất lối Q FF trước đồng thời Qúa trình đếm tiến mơ tả tương tự đếm tiến Hình 2.6: Giản đồ xung miêu tả trình đếm lùi Vậy ta có thể chọn IC 74LS193 để đếm nhi phân bít tiến/lùi b) Mạch giải mã từ sang Mạch giải mã mạch có chức ngược lại với mạch mã hố tức có mã số áp vào ngõ vào tương ứng có ngõ tác động, mã ngõ vào thường mã ngõ Tất nhiên ngõ vào cho phép phải bật lên cho chức giải mã Mạch Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử giải mã ứng dụng ghép kênh liệu, hiển thi led đoạn, giải mã đia nhớ Mạch giải mã đường sang đường bao gồm ngõ vào tạo nên tổ hợp trạngthái,ứng với tổ hợp trạng thái áp vào có ngõ tác động Hình 2.7: Khối giải mã từ sang Bảng 2.1:Bảng trạng thái mạch giải mã sang Vì ta cần lấy đầu từ Y0Y3 nên đầu vào C nối xuống mass Từ bảng thật ta có thể vẽ sơ đồ mạch logic mạch giải mã Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Hình 2.8: Câu trúc mạch giải mã sang Hình 2.9: Sơ đồ logic giải mã IC 74LS183 Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử 2.3.4 Khối tạo dao động Vì động bước làm việc dải tần thấp nên ta có thể chọn xung CLOCK có f=110Hz f=1/(ln2.C.(R1+2R2) C=22uF,R1=4,7Kohm Từ cơng thức ta có thể suy R2=32K ohm ta có thể dùng biến trở loại 50K ohm để điều chỉnh tần số Hình 2.10: Mạch tạo xung dùng NE555 2.3.5 Khối nguồn a) Hạ áp Từ điện áp xoay chiều 220V AC ta dùng máy biến áp đầu 12V AC.mục đính việc hạ áp dùng để cung cấp cho biến đổi lọc để U DC mong muốn b) Chỉnh lưu Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Một mạch chỉnh lưu mạch điện bao gồm linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành chiều Mạch chỉnh lưu có thể sử dụng nguồn cung cấp dòng điện chiều, hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện thiết bi vô tuyến Phần tử tích cực mạch chỉnh lưu có thể điot bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc linh kiện khác Chỉnh lưu nửa chu kỳ Một mạch chỉnh lưu nửa sóng nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng ngang qua điốt, nửa bi khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt điốt Vì có nửa chu kỳ chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu śt truyền cơng śt rất thấp Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp ốt bán dẫn mạch nguồn pha Hình 2.11: a) Dạng sóng điện áp trước chỉnh lưu b) Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ c) Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu Chỉnh lưu nửa chu kỳ Mạch chỉnh lưu tồn sóng biến đởi hai thành phần cực tính dạng sóng đầu vào thành chiều Do có hiệu suất cao Tuy nhiên mạch điện khơng có điểm biến áp người ta cần đến điốt thay mạch chỉnh lưu nửa sóng Điều có nghĩa đầu cực điện áp cần đến điốt để chỉnh lưu, thí dụ cho trường hợp điểm X dương, cho trường hợp điểm X âm Đầu còn lại cần xác thế, kết phải cần đến điốt Các điốt dùng cho kiểu nối gọi cầu chỉnh lưu Hình 2.12: a) Dạng sóng điện áp trước chỉnh lưu b) Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ c) Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Ở mạch ta dùng diot chỉnh lưu cầu KBP 307 Điện áp đầu vào chỉnh lưu : Uv = 12 ≈17 VDC + Điện áp sụt áp cầu : 17VDC – 1,4VDC = 15,6 VDC (Do qua diode nên đioe bi sụt áp mất 0.7V) + Điện áp sau chỉnh lưu : Ucl = 15,6 * 0.9 = 14,04 VDC ( 0.9 hệ số chỉnh lưu chỉnh luu cầu) Dạng điện áp sau chỉnh lưu còn sóng nhấp nhô núi dạng điện áp coi điện áp chiều chưa ổn đinh c) Thành phần lọc Dạng điện áp sau qua lọc Hình 2.13: a) Điện áp trước lọc tụ điện b) Điện áp sau lọc tụ điện Dựa vào nguyên tắc phóng nạp tụ điện mà cho dòng điện chiều thằng hình vẽ Tụ lớn độ gợn điện áp giảm Qua lọc ta tạo điện áp chiều cấp vào cho biến đổi đổi ổn áp d) Bộ ổn áp Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Điện áp sau qua loc đưa tới ổn áp để ổn đinh điện áp cung cấp cho mạch động lực, mạch điều khiển Ở ta dùng IC7805 để ởn đinh điện áp dương 5V Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn CHƯƠNG 3: THẢO LUẬN 3.1 Mạch thử nhiệm phần mềm mô Protues 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý dạng sóng oscillocope test phần mềm a) Mạch quay thuận Hình 3.1.: Sơ đồ mạch điều khiên quay thuận Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử Hình 3.2: Sơ đồ sóng điện áp từ chân Y0Y3 b)Mạch quay ngược Hình 3.3: Đồ thi sóng từ Y0Y3 cua IC74 Trường Đại Học SPKT Hưng Yên Khoa: Cơ Khí Đồ án Kĩ Thuật Điện Tử 3.2 Khảo sát mạch thực tế Hình 3.4: Mạch lắp thực tế Mạch chạy ổn đinh, điều khiển đảo chiều quay tốc độ tốt Qua trình thực đề tài: “Thiết kế Modun điều khiển tốc độ đảo chiều động bước " giúp chúng em củng cố lại nhiều kiến thức học, hiểu biết thêm nhiều kiến thức mới, nâng cao kỹ chuyên ngành kỹ thiết kế, kỹ bố trí kinh kiện mạch, qua chúng em có thể tự đánh giá lực thân - Ngoài kỹ trên, chúng em còn hình thành kỹ khác kỹ làm việc theo nhóm, biết xếp, quản lý công việc Đi song song với làm việc theo nhóm chúng em ý thức, rèn luyện kỹ làm việc độc lập Đặc biệt trình thực đồ án, chúng em rèn luyện, nâng cao kỹ thương mại qua lúc mua, chuẩn bi linh kiện, qua chúng em hiểu biết thêm nhiều giá thi trường linh kiện điện tử ... điều khiển bước đủ nhiên phương pháp có phát xung điều khiển phức tạp Bảng 1.7: Điều khiển haft step  Chọn loại động cơ: Điều khiển full step( bước) 1.6.6 Ưu ,nhược điểm động bước Ưu điểm... pháp điều khiển kết hợp phương pháp khiển dạng sóng điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp giá tri góc bước nhỏ hai lần số bước động bước tăng lên lần so với phương pháp điều. .. tạo động cư bước nam châm vĩnh cửu với m=4 2p=2 -Động bước nam châm vĩnh cửu chia thành: -Động bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor): -Động bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor) -Động bước kiểu