Thế giới loài người đã trải qua nhiều cuộc cách mạng từ 1.0, 2.0, 3.0 và hiện tại đang thời kỳ của 4.0. Với mỗi cuộc cách mạng đều có những đặc điểm và thành tựu nổi bật. Xuyên suốt trong đó hệ thống truyền động luôn giữ một vai trò hết sức rất quan trọng, nó là mắt xích để tạo nên một thể thống nhất cho các công xưởng, nhà máy, thương mại, dân dụng…Xét tới hệ thống truyền động thì hệ thống truyền động bằng động cơ điện cơ bản là một trong những hệ thống truyền động phổ biến và rộng rãi nhất. Trải qua nhiều thời kỳ mà đòi hỏi về điều khiển chính xác vị trí và vận tốc rất được quan tâm sâu sắc, khi mà các dây chuyền, máy móc cần sự chính xác cực kỳ cao, khi đó động cơ bước được ra đời để giải quyết bài toán trên.Việc được giảng dạy và thực hành về động cơ bước thông qua môn học lý thuyết Hệ thống truyền động Servo do thầy Võ Lâm Chương hướng dẫn là một việc thực sự có ý nghĩa trong việc trang bị cho sinh viên kiến thức, kỹ năng để thích ứng với môi trường công việc sau này. Thực hiện mô hình điều khiển vận tốc và vị trí của động cơ bước thông qua môn học Chuyên đề tốt nghiệp 2 thì rất có ý nghĩa, nhằm thể hiện sự học đi đôi với hành. Nhằm củng cố kiến thức đã học ở trước.Những ứng dụng cụ thể của động cơ bước trong ngành tự động hóa là: trong thiết bị điều khiển robot, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc. điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,….. Còn trong ngành công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng chủ yếu cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm hay máy in,…
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ - BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP GVHD: T.S VÕ LÂM CHƢƠNG SVTH : TRẦN TÚ SAN MSSV: 19646050 SVTH : NGUYỄN VĂN ĐỒNG MSSV: 19846007 SVTH : PHẠM HẢI ĐĂNG MSSV: 19846006 SVTH : VŨ MINH HIẾU MSSV: 19646034 KHĨA : 2019 – 2021 TP.Hồ Chí Minh, Ngày 04 Tháng 08 Năm 2021 Mục Lục CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu thực 1.3 Bố cục .1 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động bƣớc ? 2.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc làm việc 2.2.1 Cấu tạo .2 2.2.2 Nguyên lý làm việc 2.3 Phân loại động bƣớc 2.3.1 Động bƣớc VR 2.3.2 Động PM .4 2.3.3 Động lai .6 2.4 Làm chọn động bƣớc cho phù hợp ? .7 2.5 Mô men xoắn tốc độ động 2.5.1 Mô men xoắn 2.5.2 Tốc độ .7 2.6 So sánh động bƣớc số loại động khác .8 2.6.1 Động bƣớc với động servo .8 2.6.2 Động bƣớc động DC 2.7 Các đặc tính động bƣớc 10 2.7.1 Góc bƣớc (Step angle) 10 2.7.2 Số bƣớc vòng .10 2.7.3 Số bƣớc giây 10 2.8 Ƣu – nhƣợc điểm động bƣớc 10 2.8.1 Ƣu điểm 10 2.8.2 Nhƣợc điểm 11 2.9 Ứng dụng động bƣớc 11 2.10 Kết nối đấu nối dây động 11 2.10.1 Xác định cặp dây 11 2.11 Điều khiển động bƣớc .13 2.11.1 Điều khiển động VR 13 2.11.2 Điều khiển động bƣớc PM .13 CHƢƠNG 3.1 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH 16 Yêu cầu mô hình 16 3.2 Thiết kế phầ cứng 16 3.2.1 Thiết kế 3D .16 3.2.2 Vật tƣ khí 17 3.2.3 Thiết kế điều khiển điện 18 3.2.4 Thiết kế mạch nguyên lý 21 3.3 Thiết kế phần mềm 22 3.3.1 Lƣu đồ thuật toán 22 3.3.2 Tính tốn liên quan tới chƣơng trình 24 3.3.3 Chƣơng trình điều khiển .25 CHƢƠNG 4.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 Kết đạt đƣợc 32 4.1.1 Hình ảnh mơ hình 32 4.1.2 Link video demo 33 4.1.3 Đáp ứng yêu cầu đề tài 33 4.2 Kết luận 33 4.2.1 Kiến thức học đƣợc 33 4.2.2 Hƣớng phát triển 33 Danh sách hình ảnh Hình 2.1 Động bƣớc Hình 2.2 Cấu tạo động bƣớc Hình 2.3 Cấu tạo động VR Hình 2.4 Sơ đồ hoạt động theo bƣớc kích động VR Hình 2.5 Cấu tạo động PM Hình 2.6 Sơ đồ hoạt động theo bƣớc kích động PM Hình 2.7 Một cách khác điều khiển động bƣớc Hình 2.8 Cấu tạo động bƣớc lai Hình 2.9 Sơ đồ dòng điều khiển ĐC biểu đồ thể đáp ứng dịng điện Hình 2.10 Đồ thị thể khả tốc độ khởi động động Hình 2.11 Xác định đầu dây loại 5/6 dây 12 Hình 2.12 Xác định loại dây 12 Hình 2.13 Thứ tự kích cuộn dây động VR 13 Hình 2.14 Mạch công suất điều khiển động VR 13 Hình 2.15 Sơ đồ nối dây ĐC PM đơn cực 13 Hình 2.16 Thứ tự kích cuộn dây ĐC PM đơn cực full bƣớc, 1phase ON 14 Hình 2.17 Thứ tự kích cuộn dây ĐC PM đơn cực full step, 2phase ON 14 Hình 2.18 Thứ tự kích cuộn dây ĐC PM đơn cực half step 14 Hình 2.19 Sơ đồ động lực điều khiển ĐC bƣớc đơn cực 14 Hình 2.20 Sơ đồ nối dây ĐC PM lƣỡng cực 15 Hình 2.21 Thứ tự kích cuộn dây (1 phase ON phase ON) 15 Hình 2.22 Sơ đồ động lực điều khển động PM lƣỡng cực 15 Hình 3.1 Mơ hình 3D 16 Hình 3.2 Mạch Arduino nano 18 Hình 3.3 Màn hình LCD 20x4 19 Hình 3.4 Mạch cầu H L298N 20 Hình 3.5 Động bƣớc STP-42D201-37 20 Hình 3.6 Cảm biến tiệm cận 21 Hình 3.7 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể 21 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm 22 Hình 3.9 Sơ đồ kết nối mạch cầu H 22 Hình 3.10 Lƣu đồ thuật toán cho điều khiển ĐC chế độ full step 1phase ON 23 Hình 3.11 Lƣu đồ thuật tốn tổng 23 Hình 3.12 Chƣơng trình khai báo IN/OUT, biến 25 Hình 3.13 Chƣơng trình hàm lên 26 Hình 3.14 Chƣơng trình hàm xuống 26 Hình 3.15 Chƣơng trình cài đặt vận tốc 27 Hình 3.16 Chƣơng trình hiển thị lên LCD 27 Hình 3.17 Chƣơng trình setup 28 Hình 3.18 Chƣơng trình 31 Hình 4.1 Mơ hình bàn nâng ( mặt trƣớc) 32 Hình 4.2 Mơ hình bàn nâng (mặt bên) 32 Hình 4.3 Mơ hình bàn nâng (mặt sau) 33 Hình 4.4 Mơ hình bàn nâng (góc tổng thể) 33 Lời mở đầu Thế giới loài ngƣời trải qua nhiều cách mạng từ 1.0, 2.0, 3.0 thời kỳ 4.0 Với cách mạng có đặc điểm thành tựu bật Xuyên suốt hệ thống truyền động ln giữ vai trị quan trọng, mắt xích để tạo nên thể thống cho công xƣởng, nhà máy, thƣơng mại, dân dụng… Xét tới hệ thống truyền động hệ thống truyền động động điện hệ thống truyền động phổ biến rộng rãi Trải qua nhiều thời kỳ mà địi hỏi điều khiển xác vị trí vận tốc đƣợc quan tâm sâu sắc, mà dây chuyền, máy móc cần xác cao, động bƣớc đƣợc đời để giải toán Việc đƣợc giảng dạy thực hành động bƣớc thông qua môn học lý thuyết Hệ thống truyền động Servo thầy Võ Lâm Chƣơng hƣớng dẫn việc thực có ý nghĩa việc trang bị cho sinh viên kiến thức, kỹ để thích ứng với mơi trƣờng cơng việc sau Thực mơ hình điều khiển vận tốc vị trí động bƣớc thông qua môn học Chuyên đề tốt nghiệp có ý nghĩa, nhằm thể học đôi với hành Nhằm củng cố kiến thức học trƣớc Những ứng dụng cụ thể động bƣớc ngành tự động hóa là: thiết bị điều khiển robot, điều khiển định vị hệ quan trắc điều khiển tiêu cự hệ quang học, bám mục tiêu khí tài quan sát, điều khiển cấu lái phƣơng chiều máy bay, điều khiển lập trình thiết bị gia cơng cắt gọt,… Cịn ngành cơng nghệ máy tính, động bƣớc đƣợc sử dụng chủ yếu cho loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm hay máy in,… CHƢƠNG 1.1 TỔNG QUAN Đặt vấn đề Thiết kế mơ hình “Điều khiển bàn nâng tự động” dựa điều khiển vận tốc vị trí động bƣớc gắn bàn mâm vít me 1.2 Mục tiêu thực Tham khảo tài liệu mơ hình liên quan với đề tài − Nghiên cứu thành phần động bƣớc ( thuật toán, điều khiển, phân loại,… ) − Sử dụng mạch công suất để xuất xung điều khiển tải − Điều khiển vận tốc vị trí động − Tính tốn chuyển động tải thơng qua tính vít me − Ứng dụng thêm linh kiện điện tử khác giúp điều khiển, mở rộng mơ hình (Arduino nano, mạch cầu H, hình LCD ) − Nghiên cứu tăng khả ổn định mơ hình điều khiển 1.3 Bố cục Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Thiết kế chế tạo mơ hình Chƣơng 4: Kết đạt đƣợc kết luận CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Động bƣớc ? 2.1 Hình 2.1 Động bước Động bƣớc thiết bị điện, biến đổi cơng suất điện thành Ngồi ra, động điện đồng bộ, khơng chổi than chia vịng quay đầy đủ thành số bƣớc mở rộng Vị trí động đƣợc kiểm sốt xác mà không cần chế phản hồi nào, miễn động đƣợc định kích thƣớc cẩn thận phù hợp với ứng dụng Động bƣớc tƣơng tự nhƣ động điện trở chuyển mạch Động bƣớc sử dụng lý thuyết hoạt động nam châm để làm cho trục động quay khoảng xác có xung điện 2.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc làm việc 2.2.1 Cấu tạo Cấu tạo động bƣớc tƣơng đối liên quan đến động điện chiều Nó bao gồm nam châm vĩnh cửu giống nhƣ Rotor quay có lực tác động lên Hình 2.2 Cấu tạo động bước Stator thƣờng đƣợc chế tạo với cuộn dây đa cực đa pha, thƣờng ba bốn cuộn dây pha cho số cực cần thiết đƣợc định dịch chuyển góc mong muốn xung đầu vào Khơng giống nhƣ động khác, động bƣớc hoạt động xung điều khiển rời rạc đƣợc lập trình cho cuộn dây stato thơng qua điều khiển điện tử Động quay tƣơng tác từ tính cực cuộn dây stato đƣợc cấp lƣợng cực rôto 2.2.2 Nguyên lý làm việc Khi chuỗi xung đƣợc gửi, động bƣớc theo xung Góc mà trục động bƣớc quay cho xung đƣợc gọi góc bƣớc, thƣờng đƣợc biểu thị độ Số lƣợng xung đầu vào đƣợc cấp cho động định góc bƣớc vị trí trục động đƣợc điều khiển cách điều khiển số lƣợng xung Tính độc đáo làm cho động bƣớc phù hợp với hệ thống điều khiển vòng hở vị trí xác trục đƣợc trì với số xung xác mà khơng cần sử dụng cảm biến phản hồi Nếu góc bƣớc nhỏ số bƣớc vịng quay lớn độ xác vị trí thu đƣợc lớn Các góc bƣớc lớn tới 90 độ nhỏ đến 0,72 độ, nhiên, thực tế góc bƣớc thƣờng đƣợc sử dụng 1,8 độ, 2,5 độ, 7,5 độ 15 độ Hƣớng 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) xung đầu vào đƣợc áp dụng cuộn kích Do đó, tần số thấp, động bƣớc quay theo bƣớc tần số cao, liên tục quay nhƣ động DC quán tính 2.3 Phân loại động bƣớc Có loại động bƣớc chính, là: − Variable reluctance (VR) motors (động biến trở) − Permanent magnet (PM) motors (động nam châm vĩnh cữu) − Hybrid motors ( động lai) 2.3.1 Động bƣớc VR Đây loại động bƣớc tồn thời gian dài Nhƣ tên cho thấy, vị trí góc rơto phụ thuộc vào từ trở mạch từ đƣợc hình thành cực stato rơto Hình 2.3 Cấu tạo động VR Bao gồm cuồn dây với phase, tạo góc bƣớc 30o Nguyên lý hoạt động: Chuyển động quay động đƣợc tạo cách cung cấp lƣợng cho cuộn dây riêng lẻ Khi cuộn dây đƣợc cung cấp lƣợng, dòng điện cực từ đƣợc tạo ra, hút kim loại Roto Roto di chuyển bƣớc để chỉnh bù vào phần cuộn dây đƣợc cung cấp lƣợng Khi bật qua pha, roto quay liên tục Hình 2.4 Sơ đồ hoạt động theo bước kích động VR 2.3.2 Động PM Động bƣớc dạng đƣợc thiết kế nam châm vĩnh cửu Là dạng phổ biến số loại động bƣớc Nhƣ tên nó, thêm nam châm vĩnh cửu vào việc c, Mạch cầu H Hình 3.4 Mạch cầu H L298N Điều khiển động cầu H hai chiều, điều khiển hai động DC động bƣớc hai pha dây lúc Điện áp 2V - 10V Dòng điện làm việc đơn 2.5A, Dòng điện chờ thấp (dƣới 0,1ua) Mạch bảo vệ nhiệt tích hợp (tSD) Kích thƣớc sản phẩm: 31x32x5mm (chiều dài, chiều rộng chiều cao), Kích thƣớc nhỏ, thích hợp để lắp ráp xe Trọng lƣợng: 11g d, Động bƣớc: Hình 3.5 Động bước STP-42D201-37 Loại động Góc bƣớc Dịng điện cuộn dây STP-42D201-37 Lƣỡng cực Điện trở 1.8 độ 1.55 ohm Cảm kháng cuộn 1700 mA mH Bảng 3.1 Thông số động 20 e, Cảm biến tiệm cận Hình 3.6 Cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận ROKO SN04-N NPN - Loại Dây: DC dây – Trạng thái Output: NPN thƣờng mở gồm dây – Điện áp hoạt động: – 36VDC – Dòng hoạt động: 200 – 300mA – Phát khoảng cách: 4mm – Đối tƣợng phát hiện: Kim loại – Độ dài dây: 1.2m 3.2.4 Thiết kế mạch nguyên lý Hình 3.7 Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể 21 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm Hình 3.9 Sơ đồ kết nối mạch cầu H 3.3 Thiết kế phần mềm 3.3.1 Lƣu đồ thuật toán Ở nhóm thực đơn giản hóa điều khiển để việc viết chƣơng trình điều khiển đơn giản hơn, nên định chọn chế độ full step phase ON 22 Hình 3.10 Lưu đồ thuật tốn cho điều khiển ĐC chế độ full step 1phase ON Hình 3.11 Lưu đồ thuật tốn tổng 23 3.3.2 Tính tốn liên quan tới chƣơng trình 3.3.2.1 Tính thời gian lần kích (t_delay) Với thơng số động cơ: R =1.55 ohm, L = mH Ta tính đƣợc thời gian nhỏ cần thiết cho bƣớc nhƣ sau Do ta có t_delay nhỏ 3.2 ms Ta có : Tmin = 60/(RPMmax*ppr) , suy 93 Suy RPMmax = 93 rpm ( ứng với Tdelay = 3,2 ms) Vận tốc(rpm) T_delay(ms) 300 60 10 30 25 12 50 60 80 90 3,75 3,333333 Bảng 3.5 Sự tương quan vận tốc thời gian trễ 3.3.2.2 Tính vít-me Ta sử dụng vít me M8 bƣớc 8, có nghĩa vịng quay lăn di chuyển đƣợc 8mm 200 steps = 8mm Từ ta suy đƣợc số xung (step) tƣơng ứng cho khoảng cách mà muốn điều khiển xác 24 3.3.3 Chƣơng trình điều khiển Chƣơng trình điều khiển viết trình biên dịch Arduino Hình 3.12 Chương trình khai báo IN/OUT, biến 25 Hình 3.13 Chương trình hàm lên Hình 3.14 Chương trình hàm xuống 26 Hình 3.15 Chương trình cài đặt vận tốc Hình 3.16 Chương trình hiển thị lên LCD 27 Hình 3.17 Chương trình setup 28 29 30 Hình 3.18 Chương trình 31 CHƢƠNG 4.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết đạt đƣợc 4.1.1 Hình ảnh mơ hình Hình 4.1 Mơ hình bàn nâng ( mặt trước) Hình 4.2 Mơ hình bàn nâng (mặt bên) 32 Hình 4.3 Mơ hình bàn nâng (mặt sau) Hình 4.4 Mơ hình bàn nâng (góc tổng thể) 4.1.2 Link video demo https://drive.google.com/file/d/1Q_4wg6vo2iXGZpZ1DcJslECqUC_G7wiH/view? usp=sharing 4.1.3 Đáp ứng yêu cầu đề tài Điều khiển đƣợc vận tốc động bƣớc Điều khiển đƣợc vị trí động bƣớc Tạo đƣợc mơ hình có ứng dụng cho thực tế 4.2 Kết luận 4.2.1 Kiến thức học đƣợc Với việc sử dụng mạch vi điều khiển mạch cầu H để điều khiển động mà không kèm theo sử dụng loại IC hỗ trợ ta nhận thấy việc điều khiển vị trí xác bị giới hạn cho nhiều tốn Khi loại IC hỗ trợ loại driver điều khiển đời để điều khiển xác dễ dàng cho nhiều tốn Thơng qua mơn học, chúng em học đƣợc nguyên lý nhƣ kỹ điều khiển động bƣớc nhƣ kỹ trình bày báo cáo… 4.2.2 Hƣớng phát triển Kết hợp matlab để mô Sử dụng thêm loại IC hỗ trợ để đa dạng chế độ điều khiển 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] File giảng Thầy Võ Lâm Chƣơng,chapter Servo Drive Systems_Chapter 2_2019 [2] Tarun, Agarwal "Stepper Motor – Types, Advantages & Applications" 34 ... Điện áp: 2.7-5.5V - Điều chỉnh độ tƣơng phản biến trở 19 c, Mạch cầu H Hình 3.4 Mạch cầu H L298N Điều khiển động cầu H hai chiều, điều khiển hai động DC động bƣớc hai pha dây lúc Điện áp... danh định 12 2.11 Điều khiển động bƣớc 2.11.1 Điều khiển động VR H? ?nh 2.13 Thứ tự kích cuộn dây động VR H? ?nh 2.14 Mạch cơng suất điều khiển động VR 2.11.2 .Điều khiển động bƣớc PM 2.11.2.1 Động. .. h? ?nh - 3.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ H? ?NH Điều khiển đƣợc vận tốc, vị trí động Thao tác, hiển thị thông qua h? ?nh LCD nút nhấn Thiết kế nhỏ gọn, dễ thao tác Thiết kế phần cứng 3.2.1 Thiết kế 3D H? ?nh