DO AN KY THUAT SO điều khiển động cơ bước

Bộ giáo dục đào tạo Cộng hòa xà hội ch nghĩa việt nam Trờng đại học s phạm kỹ thuật nam định Độc lập *Tự do* hạnh phúc .*o0o* Họ tên : vũ đức hòa MSSV:07HC720019 Bùi mạnh hiếu MSSV:07HC720015 Lớp Ngành : : CSĐĐT -36 Kỹ thuật điện - điện tử Tên đề tài: thiết kế mạch Điều khiển động bớc Các số liệu ban đầu Điều khiển động bớc 1.8* Có phÝm Strat / Stop , F/R  Cã biÕn trë để thay đổi tốc độ động Mạch sử dụng IC số Nội dung phần thi công tính toán Tính toán chọn linh kiện cho nguồn Tính toán chọn linh kiện phần mạch chọn chiều điều khiển quay Tính toán chọn linh kiện cho mạch giao tiếp động Các vẽ : Các vẽ cần thiết để thuyết minh GVHD : Ths Hoàng thị Phơng Nam định Ngày tháng .năm2009 - - - - Lời Mở Đầu Trong kỷ XX nhân loại đà có bớc phát triển vợt bậc khoa học kỹ thuật đóng góp không nhỏ vào phát triển đời thiết bị bán dẫn, IC số đà giảI đợc nhiều khó khăn lĩnh vực công nghệ đà mở kỷ nguyên công nghệ , kỷ nguyên Kỹ thuật số Bớc sang kỷ XXI xà hội ngày phát triển ngời ngày có nhu cầu cao sống,đòi hỏi phơng tiện phục vụ đời sống ngời ngày phát triển mà lĩnh vực kỹ thuật số ngày phát triển với u điểm vợt trội nh linh kiện nhỏ gọn,tính tơng thích cao,giá thành rẻ.Nên thiết bị sử dụng kỹ thuật số đà đợc xà hội đón nhận sử dụng đặc biệt ngành công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao,trong lĩnh vực quân công nghệ thông tin dần đa nhân loại vào sống Cuộc sống số Chính mà môn học Kỹ thuật số đợc giảng dạy trờng ĐH-CĐ , trung tâm dạy nghề đợc coi môn học có vai trò quan trọng giúp cho sinh viên cã thĨ tù tin bíc vµo cc sèng míi-cc sèng số Môn học kỹ thuật số môn khoa học đà giúp cho sinh viên có đợc kiến thức kỹ thuật số , phần tử bán dẫn IC, giúp cho sinh viên hiểu nắm giữ đợc nguyên lý thiết bị số qua thiết kế ,sửa chữa đợc thiết bị số đơn giản.Giúp sinh viên có lực tự tin bớc vào sống Là sinh viên khoa Điện-Điện Tử trờng ĐH S Phạm Kỹ Thuật Nam Định đợc theo học môn học kỹ thuật số với kiến thức đà đợc học chúng em thực đề tài: Thiết kế mạch điều khiển động bớc Động có góc bớc 1,8 độ nguồn 5V.Các phím Start, Stop, F/R Mạch sử dụng IC sè Cã biÕn trë thay ®ỉi tèc ®é quay motor Với hớng dẫn giáo viên Hoàng Thị Phơng Do khả kiến thức môn học hạn chế nên trình thực chúng em đà gặp nhiều khó khăn nhng với lòng tâm giúp đỡ thầy cô giáo bạn chúng em đà hoàn thành đợc đề tài song nhiều thiếu sót Rất mong đợc đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn để viết chúng em đợc hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Nam định , ngày tháng năm2009 Nhóm sinh viên thực hiện: Vũ Đức Hoà vàBùi Mạnh Hiếu Mục lục Chơng Khái quát chung Trang Sơ ®å khèi nhiƯm vơ c¸c khèi 1.1 Ngn cÊp 1.2 Mạch tạo dao động 1.3 Mạch đếm .7 1.4 Giao tiÕp .8 Chơng Cơ sơ lý thuyết 2.1 Động bớc 1.8* 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 §éng từ trở thay đổi 2.1.3 Động đơn cực 2.1.4 Động hai cùc .10 2.1.5 Đặc điểm động bớc .12 2.1.6 Điều khiển động bíc 13 2.2.7 Đặc tính động bớc .17 2.2 Mạch nguồn 2.2.1 Khái niệm 19 2.2.2 Mạch chỉnh lu cầu 20 2.2.3 Lọc thành phần xoay chiều .21 2.2.4 ổn định ®iƯn ¸p 23 2.2.5 TÝnh to¸n 24 2.2.3 Mạch dao động sử dụng ic 555 2.3 Mạch dao động 2.3.1 Khái niệm mạch tạo dao động 26 2.3.1 Lý lùa chän m¹ch t¹o xung dïng IC 555 .27 2.3.2 Giíi thiÖu IC 555 .28 2.3.3 Sự hoạt động bên IC 555 29 2.4 Mạch đếm 2.4.1 Cæng not 30 2.4.2 Cæng OR 31 2.4.3 Cæng AND .31 2.4.5 Flip Flop RS 34 2.4.6 Flip Flop JK 35 2.4.7 Flip Flop D 36 2.4.8 Flip Flop T 37 Ch¬ng ThiÕt kế thi công 2.1Sơ đồ nguyên lý * Nguyên lý hoạt động 39 2.1 M¹ch cÊp nguån 2.2 PhÝm start , stop 40 2.3 Điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tèc ®é quay dïng biÕn trë 42 2.4 §iỊu chØnh chiỊu quay 3.2.1 Quay thn 44 3.2.2 Quay nghÞch 45 2.5 Khuyêch đại tín hiệu UNL 2803 Lời cảm ơn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô trờng ĐHSPKT Nam Định đà tận tình bảo chúng em suốt thời gian làm đồ án Trong phải kể đến thầy cô khoa Điện - Điện Tử Ths Hoàng Thị Phơng đà tận tình giúp đỡ trình thực Nhóm sinh viên làm đồ án xin chân thành cảm ơn sâu sắc Cha , mẹ bạn bè đà động viên giúp đỡ thời gian thực đồ án môn học kỹ thuật số động bớc Với thời gian thực đồ án ngắn , dù đà cố gắng nhng không tránh khỏi sai sót , Chúng em kính mong nhận đợc dẫn Thầy ,Cô Nam Định , Ngày Tháng Năm 2009 Nhóm Sinh viên thực hiện: Vũ đức hòa Bùi mạnh hiếu Danh mục hình vẽ STT trang H1.1.sơ đồ hình khối H1.2.Cấu tạo động có từ trở thay đổi .8,12 H1.3.Động bớc đơn cực 8,13 H1.4 Động hai cực 9,15 H1.5 Động bớc đủ 10 H1.6 Động nhiều tầng 10 H1.7 Mô men động .17 H2.1 Sơ đồ khối mạch ổn áp .18 H2.2 Mạch cầu chỉnh lu .19 H2.3 Đồ thị mạch chỉnh lu .19 H2.4 Lọc thành phần xoay chiều 21 H2.5 IC7805 22 H2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 23 H2.7 Sơ đồ mạch tạo xung 25 H2.8 Nguyên lý hoạt đọng ic 555 28 H3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động bíc …………………… 38 H3.2 Strat /Stop ……………………………………………………….39 H3.3 §iỊu chØnh độ rộng xung 40 H3.4 IC khyêch đại 46 10 B¶ng: CK D O cã ↑↓ ↑↓ J K X x Q Q Q0 Q0 1 D¹ng xung: CK D Q 3.2.4.Flip-Flop T - Đợc chế tạo từ FF JK nhng đầu J chơm vµo mét - KÝ hiƯu: S CK Q J FF T R B¶ng: CK D Q J K x x Q0 Q0 ↑↓ 0 Q0 Q0 ↑↓ 1 Q0 Q0 O Q cã D¹ng xung: CK T Q M¹ch giao tiÕp Hinh2.9 IC 2803 CÊu tạo : Gồm 18 chân Chân 1->8 chân đầu vào Chân 10->18 chân đầu Chân nối mass Nếu chân đầu vào đầu chân đầu thả Nêu chân đầu vào băng thi đầu Có khả năg đệm ngõ IC để tăng khả khuyêch đại dòng để tăng khả cấp cho tải Mỗi cuộn dây morto dẫn dòng nhỏ 500mA Có Diode để tránh ngợc dòng điều khiển Chơng Thiết kế thi công 3.1 Sơ đồ nguyªn lý U12 SW1 SW -SPDT +88.8 11 12 13 14 15 16 17 18 10 8C 7C 6C 5C 4C 3C 2C 1C COM U14:A 10k S Q Q J K 4071 4 6 Q 4081 4081 4071 4027 U1:B U8:C U7:B U9:B 10 R4 1k 1k 100 S CLK 14 Q 1N4007 U7:A 4071 U8:D 12 11 13 4027 4081 4081 4071 U3:C LED-GREEN D2 1N4007 4081 4071 D3 D1 4073 R K 12 11 R3 15 Q U4:B C1 11 12 13 U2:A U10:A U5:C 10 U9:C 10 Q K Q 13 K 4081 U7:C 4071 10 10 4081 4027 4081 U2:B Q 15 4071 U6:A U10:C U5:D 12 10 11 13 Q 12 4081 U4:D 14 4071 12 13 12 4071 12 11 11 13 13 4081 4071 1k U16 C2 1uF NAND 11 13 U10:D U7:D 11 4027 U9:D 4073 4081 R5 U10:B 4071 U4:C CLK 12 11 J 10 4073 10 CLK J R S 1uF S 500k R2 J R VCC RV1 NE555 5 10 U8:B U5:B TH U9:A 4071 U3:B 13 GND TR 4081 U4:A 4.7k CV 1 3 CLK DC Q 4 4013 S R CLK R1 U13 U8:A U5:A 4073 U1:A D R Q 7404 R U11:A U3:A ULN2803 R6 8B 7B 6B 5B 4B 3B 2B 1B Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý hoạt động Điều khiển động nửa bớc quay 1.8* Khi tác động xung vào từ phát xung dùng IC 555 có tần số lớn , phù hợp để động quay với tốc độ cho phép Đông quay nhanh hay chậm phụ thuộc vào tần số ®é réng xung BiÕn trë RV cã nhiƯm vơ thay ®ỉi ®é réng xung ®Ĩ thay ®ỉi tèc ®é quay động mà tần số không đổi Công tắc SW để chọn chiều quay động cơ.Chân Reset cua FFJK nối vào nối vào đầu FFD Mạch Start chân Reset mức thấp Mạch Stop chân Reset mức cao.Khi Stop đầu Q phải mức thấp để động không bị ngâm điện áp dẫn đến hỏng động Các FF JK kết hợp với tạo thành mạch đếm đồng bit Để quay động điều khiển nửa bớc mạch đếm thức đếm số thập phân sau 8,12,4,6,2,3,1,9 để quay thuận quay ngợc đếm sồ thập phân sau 1,3,2,6,4,12,8,9 (dựa vào bảng trạng thái) Để động quay thuận quay ngợc đầu vào JK thông qua cổng AND cổng OR để chọn đầu vào cho JK đồng thời thực quay thuận quay ngợc Để động quay cần nguồn dòng áp đủ lớn cung cấp cho cuộn dây IC ULN2803 có nhiệm vụ khuyêch đại đầu vào đầu tín hiệu dòng điện nhỏ 500mA 3.2 Phím start Stop Mạch nguyên lý Hình 3.2 Start /stop Để Stop mạch đếm mà đầu tích cực mức thấp cần tác đọng vào chân Reset FF JK Ch©n Reset cđa Flip Flop JK tÝch cùc møc cao để mạch hoạt động bình thờng chân Reset (FFJK) tÝch cùc møc thÊp Do ®ã sư dơng FLIP FLOP D có tác dụng chốt liệu để thực nhiệm vụ Khi mạch trạng thái ban đầu Ck tác động cạnh lên cho đầu la Q=0 va =1 (chốt liệu) -> Đa vào chân Reset FFJK nên mạch không hoạt động (không đếm) Đầu FFJK mức thấp Khi nhấn nút Start Ck tác động cạnh xuống đầu Q=1 =0 => Lúc mạch hoạt động thực việc đếm 3.3 : Điều chỉnh tốc độ quay động bớc 1.8* Động bớc quay với tốc độ khoảng từ vòng / phút đến giá trị cức đại cho phép Do tính chát đắc biệt động bớc dừng vị trí độ phân giải góc bớc quay với tốc độ giải cho phép động bớc đợc sử dụng cho thiets bị quay mà chủ yếu đơc sử dụng để điều khiển tốc độ quay biến đổi liên tục, tri động phảI dừng đứng yên vị tri NÕu thêi gian T (gi©y) ta thùc hiƯn n lần dịch bớc tần số dịch bớc đợc xác định nh sau f= n/t Động bớc 1.8 * chu 200 lần dịch bớc (điều khiển bớc ) 400 lần dịch bớc (điều khiển nửa bớc) Nếu muốn động quay nhanh tần số cung cấp lớn hàng Khz ** Động quay theo bảng trạng thái Trạngthái Cuộn Cuộn Cuén Cuén 1 0 1 0 0 00 1 0 0 1 0 0 ** Dïng biÕn trë thay ®ỉi tốc độ động bớc Hình 3.3 Điều chỉnh độ réng quay Theo hinh 3-2 ta cã Tơ n¹p +Vcc -> R1 -> VR1 ->VR2 - >R3 ->+C1 -> -C2 ->mass Tơ x¶ +C1 ->R2 ->VR2 ->mass-> -C1 Thêi gian nạp tụ : Tnạp = C1 ln2 (R1+VR1+RV2 +R3) Thời gian xả tụ : Txả = C1 ln2 (R2+VR2) Xung có dạng :xung âm nhiều xung dơng Khi điều chỉnh RV2 sang trái xung dơng nhiều xung âm Vì đầu tích cực mức cao nên muốn động quay nhanh ta điều chỉnh xung dơng nhiều xung dơng Và ngợc lại muốn quay chậm điều chỉnh xung âm nhiều xung dơng **Đối với động bơc cực nam châm vĩnh cửu tần số hoạt động tối đa 40khz linh kiện mạch tạo xung : (theo hình trên) Với tụ C=10Nf, R2=R3 Trờng hợp RV1 RV2 nh dây dẫn Thời gian nạp Tnạp = (R1+RV1+R3) C Ln2 = R1+R3.10 ln2 =(R1+R3).Ln2.10 Thời gian xả Txả =(R2+Rv2) C Ln2 =R2 10 Ln2 Ta thấy thời gan nạp lớn thời gain xả Mà Tần số F= =( 30=>40Khz) Thì giá trị điện trở là=> 3.4 ĐIềU CHỉNH CHIềU QUAY Động cở bớc 1.8* Chiều quay động nhìn chung không đồng với chiều dòng điện áp cấp cho cuộn dây mà phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch bớc (nửa bớc).Chẳng hạn Roto vị trí thứ n, ta cấp điện cho chuyển dịch sang vị trí thứ n+1 đông quay thuận Nừu ta cấp điện cho chuyển dịch sang vị trí thứ n-1 quay nghịch tạo xung điều khiển thực việc Chiều quay động đợc xác định thứ tự chuyển dịch bớc trạng thái cấp điện cho cuộn dây starto Đối với động pha , 1.8*nếu điều khiển bớc có trang thái cấp ®iƯn , nÕu ®iỊu khiĨn nđa bíc th× cã trạng thái cấp điện Bang trạng thái cấp điện cho động pha điều khiển nửa bớc 1.8* Bảng trạng thái cấp điện cho động quay thuận Trạng th¸i Cuén Cuén Cuén Cuén 4 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 B¶ng trạng tháI cấp điện cho động quay nghịch Trạng th¸i Cuén Cuén Cuén Cuén 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 §Ĩ điều khiển đông quay thuận ,nghịch sử dụng mạch đếm đồng Thiết kế mạch đếm ngợc đông Chiề Q Q Q Q Q3 Q u ` quay Q1` Q0 JK JK JK JK ` ThuË n 1 1 1 1 nghÞ 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 ch 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 Từ bảng trạng thái ta 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 cã 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Trêng hỵp thn JKt3 = (12, 1) JKt2 = (8 , 6) JKt1 = (4 , 3) JKt0 = (2 , 9) Trêng hỵp nghÞch JKn3 = (4 , 9) JKn2 = (2 , 12) JKn1 = (1 , 6) JKn0 = (3 , 8) Rút gọn bìa karnaugh ta có Trờng hợp thuËn JKt0 = Q3.Q0 + Q1 JKt1 = Q1.Q0 + JKt2 = Q2.Q1 + JKt3 = Q3.Q2 + Q0 Trêng hợp nghịch JKn0 = Q1.Q0 + JKn1 = Q2.Q1 + Q0 JKn2 = Q3.Q2 + Q1 JKn3 = Q3.Q0 + Để thay đổi chiều quay động cần thông qua tổ hợp cổng logic để chọn chiều quay thuận hay quay nghịch công tắc SW Nếu công tắc gạt lên VCC đông quay thuận xuống mass động quay ngợc 3.5 Khuyêch đại tín hiệu Động đơc sử dụng mạch động bớc 1.8* loai nam châm vĩnh cửu pha Hình 3.6 vài cách mắc cho loại công tắc bao gồm cuộn dây động va diode bảo vệ phục vụ cho mục đích đóng ngắt kể Hình 3-4 Mỗi công tắc hình 3.4 tơng thích với đầu vào TTL.Nguồn 5V sử dụng cho mạch lôgic bao gồm đóng mở cổ góp 7407 nh hình trên.Nguồn điện cho động từ 5V-24V,không cần độ xác cao.Ta cần ý mạch đóng ngắt nguồn phảI thích hợp cho việc dẫn đông cuộn dây,động DC,các tải cảm ứng khác động bớc Transistor SK 3180 hình 3.4 Dalington công suất có độ lợi dòng 1000 qua dòng 10mA qua diƯn trë hiƯu chØnh 470 Ohm sÏ ®đ lín ®Ĩ qua transistor điều chỉnh dòng vài Ampe qua cuộn dây động Bộ đệm 7407 dùng điều khiển Darlington dïng thay thÕ bÊt k× chip më tiÕp diểm điện cao mà có điều khiển mức tối thiểu 10mA.Ngay trờng hợp transistor h mở tiếp điểm giúp bảo vệ phần lại mạch lôgic khởi nguồn động IRC IRL540 hình 3.4 điểm mở tác dụng Transistor.Nó chịu đợc dòng điện lên tới 20A bị đánh thủng 100V chip hấp thụ đỉnh nhọn độ tự cảm mà cần diode bảo vệ đợc gắn với tản nhiệt đủ lớn.Transistor có thời gian đóng ngắt nhanh vi quay 1,8*, tần số cao, nên diode bảo vệ phảI nhanh tơng ứng đợc chia nhỏ tụ điện Điều đặc biệt cần thiết cho diode bảo vệ transistor chống lại phân cực ngợc Trong trờng hợp transistor bi h diode zener điện trở 100 Ohm đóng vai trò làm trễ Thời gian đóng mở transistor ,.Hình 3.5 ngõ vào ngâ cđa chip ULN2803 d·y transistor dalington: H×nh 3-4 Ic khuyêch đại Điện trở transistor dalington phảI thích hợp với tín hiệu TTL lỡng cực chuẩn Cực phát dalington NPN đợc nối với chân 9, chân nối đất MôI transistor đợc bảo vệ diode nối cực phát cực thu để bảo vệ transistor khỏi điện áp ngợc, nối cực thu với chân 10 , chân 10 nối với nguồn động diode bảo vệ transistor khỏi đỉnh nhọn độ tự cảm The end Chơng Kết luận kiến nghị I kết luận Trong trình nghiên cứu , thực hoàn thành đà rút đợc kết nh Khả vận dụng kiến thức lý thuyết thực hành Vận dụng đợc môn học kỹ thuật số môn kỹ thuật điện tử Nâng cao phơng pháp nghiên cứu tài liệu cách hiệu qua c¸c ngn kh¸c nh Th viƯn , Internet,thầy cô , bạn bè Hiểu rõ nguyên lý hoạt động động bớc quay với góc quay 1.8* Khả ứng dụng động bớc nghành kỹ thuật công nghiệp đại nh : chế tạo robot , PLC , CNC Khả úng dụng IC mạch II : Đề nghị Để đồ án hoàn thiện nhóm sinh viên mong có thêm thời gian nghiên cứu chuyên môn để phát triển đồ án Động bớc điều khiển lập trình AT89x51 đà học môn vi điều khiển vi xử lý Tài liệu tham khảo Giáo trình kỹ thuật số Trần Văn Hào Kỹ thuật xung Ngun TÊn Phíc Kü tht sè Ngun Th Linh kiện bán dẫn vi mạch Hồ Văn Sung Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn Văn Dơng Minh Trí Một số trang Web điều khiển động bớc - http://motioncontrol.com/ - http://www.ams2000.com/stepping101.html ã http://www.doc.ic.ac.uk/~ih/doc/stepper/ • http://www.euclidres.com/apps/stepper_motor/stepper.html ... nhng mạch điều khiển để đảo cực cặp cực động phức tạp Minh hoạ hình 1.3 cách nối động cơ, phần rotor giống nh hình 1.2 Mạch điều khiển cho động đòi hỏi mạch điều khiển cầu H cho mấu; điều đợc... nhỏ độ xác điều khiển cao Bớc động phụ thuộc vào số cuộn dây phần ứng, số cực Stato, số Roto phơng pháp điều khiển bớc đủ điều khiển bớc Tùy theo yêu cầu độ xác kết cấu động cơ, mà bớc động thay... châm vĩnh cửu trờng hợp động biến từ trở, khối làm vật liệu nhẹ có từ tính Tất mạch đảo phải đợc điều khiển bên điều khiển, đặc biệt, động điều khiển đợc thiết kế để động giữ nguyên vị trí cố