1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC
Các phần tử trong hệ thống:
- Phần mềm Mach3 và máy tính: Có vai trò như bộ điều khiển CNC, điều khiển toàn hệ thống.
- Mạch đệm LPT: có nhiệm vụ kết nối bộđiều khiển với các thiết bịđiều khiển. - Động cơ bước và driver động cơ bước: Dẫn động các bàn máy để hình thành quỹ đao chuyển động của đầu gia công.
1.2.1. Khái quát vềđộng cơ bước.
Trong các máy CNC gia công gỗ ngày nay, động cơ bước được sử dụng rất phổ biến. So với động cơ Servo thì động cơ bước có một sốưu điểm vượt trội như tính hãm tốt, phương pháp điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với động cơ Servo và giá thành động cơ và bộ drive là rẻhơn nhiểu lần so với động cơ Servo. Tuy vậy vẫn tồn tại một số nhược điểm như khả năng điều khiển chính xác tốc độ và vị trí không bằng động cơ Servo, và điều khiển ở động cơ bước là điểu khiển vòng hở nên có thể xảy ra hiện tượng mất bước khi quá tải.
1.2.2.Phân loại và cấu tạo động cơ bước.
Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc rotor hoặc cách cuốn dây trên stato.
Dựa theo cấu trúc roto , động cơ bước được chia thành 3 loại: 1.Động cơ bước từ trở biến thiên.
2.Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 3.Động cơ bước lai.
Dưa theo các cuốn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại. 1.Động cơ bước đơn cực.
2.Động cơ bước lưỡng cực.
Loại động cơ được sử dụng trong mô hình của em là loại động cơ bước đơn cực kiểu lai, sởdĩ chọn loại động cơ này vì đây là loại động cơ phổ biến trên thịtrường. Do vậy dưới đây em chỉ trình bày về cấu tạo động cơ bước lưỡng cực kiểu lai.
1.2.3. Động cơ bước kiểu đơn cực.
Một kiểu cuốn dây phổ biến khác là cuốn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi cuốn một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra.Cách cuốn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực điện tính điện, tức dòng điện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bịđảo chiều. Thiết kếnày cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với cuốn dây kiểu lưỡng cực.
Hình 3.2 . Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực.
1.2.4.Nguyên lý hoạt động và điều khiển động cơ bước
Khác với những loại động cơ thông thường, động cơ bước cần phải cấp xung đến các dây đầu vào theo thứ tự nhất định thì động cơ mới có thể hoạt động. Đểcó được xung điều khiển theo tuần tự cấp vào các dây, mỗi động cơ bước cần có một driver chuyên dụng đểđiều khiển nó. Vấn đề nguyên tắc tạo vào điều khiển các xung liên tiếp hay dán đoạn cho các dây vào của động cơ bước được nghiên cứu chi tiết ở mục tiếp theo. Mục này chỉ trình bày về nguyên tắc cơ bản để động cơ bước hoạt động được.
Trước tiên ta xét một động cơ bước kiểu lai đơn cực 6 dây ra, đây là loại động cơ được sử dụng trong chế tạo mô hình thực tế. Các thành phần của động cơ gồm có:
Hình 3.3 bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực.
Hình 3.4 Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực.
Cấu tạo của rotor gồm hai cực Bắc-Nam bố trí dọc theo trục của rotor như hình vẽ. Hai cực được đặt lệch nhau 1 răng. Khi cực A-A1 có được cấp điện sao cho cực A là cực Bắc và cực A1 là cực Nam, khi đi cực A sẽ hút cực Nam trên rotor về gần nhất, đồng thời cực Bắc trên rotor sẽ xa cực A nhất vì có sự bố trí lệch 1 răng trên rotor. Các răng trên A và A1 cũng không được bốtrí đối xứng mà chúng lệch nhau 1 răng,vậy nên khi cực Bắc của rotor xa A nhất thì nó lại gần A1 nhất, còn cực Nam của rotor gần A nhất thì nó lại xa A1 nhất. Như vậy lực hút giữa rotor và stator là lớn nhất. Rotor luôn được giữở vị trí cốđịnh trong từ trường của Stator tạo ra sao cho tại cùng một bản cực trên Stator thì một cực của Rotor gần nó nhất còn cực còn lại thì xa nhất. Khi cuộn A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 được cấp điện, khi đó từ trường của Stator bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chênh lệch giữa cặp A- A1 và B-B1, từ trường này sẽ kéo rotor quay lệch đi 1 răng. Cứ tuần tự cấp điện
như vậy, ta sẽ tạo ra từ trường quay quanh trục của Rotor và kéo rotor quay hết vòng.
1.3.Driver động cơ bước.
Như đã đề cập trong mục trước, các động cơ bước không thể hoạt động với cách cấp điện như các loại động cơ AC hay DC thông thường. Ta phải đưa điện áp kiểu xung vuông tuần tự đến các đầu vào của các cuộn dây trong Stator. Để làm được điều đó ta cần một driver điều khiển. Hiện Nay driver điều khiển động cơ bước khá phổ biến và dễ chế tạo với các IC chuyên dụng L298 và L297, ngoài ra các driver chính hãng sử dụng trong công nghiệp thì sử dụng các IC họ 74xx và cùng với các chíp vi xử lí.
Ở đây em sử dụng IC L297 và L298 để thiết kế bộdriver điều khiển cho động cơ bước vì các linh kiện này rất phổ biến, dễ tìm mua và giá thành rất rẻ, hơn nữa các IC này còn có công suất lớn, độ bền cao, làm việc tin cậy, ít nhiễu.
1.3.1. IC L297.
1.3.1.1.Giới thiệu
L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơbước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơbước đơn cực. Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ. Với IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic
cho chiều quay, chế độ. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đây được tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn.IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và thường dùng kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E.
Hình 3.5 Bố trí các chân của ic L297
Bảng 3.1 chức năng hoạt động của các chân của IC L297
STT Ký hiệu Chức năng và ghi chú
1 SYNC Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp. Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhiềuv L297). Sử dụng chân này như sau:
- Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nối các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn ở một IC L297 bất kì.
- Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock ngoài
Cách đồng bộ các IC L297
3 HOME Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi tạo(ABCD=0101)
Khi chân này xuất tín hiệu tích cực thì các transistor đang trạng thái mở
4 A Tín hiệu phase A của mô-tơ
5 INH 1 Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo vệ dòng xả ngược cuộn dây. Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổn định dòng tải động cơ
6 B Tín hiệu pha B của động cơ 7 C Tín hiệu pha C của động cơ
8 INH 2 Chức năn giống INH 1. Điều khiển pha C và D 9 D Tín hiệu pha D của động cơ
10 ENABLE Chân cho phép hoạt động, khi chân này ở mức thấp, chân ngõ ra pha A, B, C, D INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp.
11 CONTRO L
Chân điều khiển hoạt động CHOPPER.
Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chân INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thông qua các phase A,B,C,D.
12 Vs Chân nguồn 5V
13 SENS 2 Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dòng tải ở tần công suất của phase C, D
14 SENS 1 Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B
15 Vref Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào chân này đểthay đổi dòng tải đỉnh.
17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ thuộc vào cách đấu dây cho động cơ
18 CLOCK Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp. Moto“bước” khi có cạnh xuống ở chân này.
19 HALF/FU LL
Chân chọn lựa chế độquay đủbước, nửa bước
20 RESET Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về vị
trí HOME (tầng 1, ABCD=0101)
1.3.1.3.Hoạt động.
IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng. Các tín hiệu vào là: xung clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL. Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chếđộ nửa bước (luân phiên cấp điện một phase- hai phase). Hai ngõ ra “cấm”- inhibit, thường được kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộn dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lên phase điều khiển.
tín hiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên các phase, phase không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì ngắt các phase rồi lại đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật này giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải.
Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để set 2 flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờxung dao động tiếp theo. Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF.
Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạt động đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và nối chân OSC ở các L297 còn lại với MASS)
1.3.1.4. Chuỗi xung pha trong các chếđộ điều khiển.
Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độ hoạt động của động cơ. Lưu ý, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là high- low-high. (tích cực bằng cạnh lên)
Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo chân.
RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD=0101.
a.Chếđộ điều khiển nửa bước.
Để chọn chếđộ điều khiển nửa bước thì chân HALF/FULL phải được đặt ở mức cao.
Hình 3.6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chếđộ nửa bước
Bảng 3.2 tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.
b.Chế đổđủbước.
Chế độ bình thường còn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chân FULL/HALF ở mức thấp. Trong chếđộ này, hai chân cấm INHx luôn ở trạng mức cao.
Hình 3.7 Sơ đồxung điều khiển kiểu đủbước
Bảng 3.3 Tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.
1.3.2. L298
1.3.2.1 Giới thiệu
IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15) và PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge) có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao. Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước. Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi
Hình 3.8 Sơ đồ khối IC L298
1.3.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa
- Nguồn Vs tối đa : 50V - Nguồn nuôi : 7V
- Điện thế vào: -0.3V – >7V - Công suất tối tải tối đa: 25W - Nhiệt độ tối đa 130oC
1.3.2.4 Sơ đồ chân Hình 3.9 Sơ đồ chân IC L298 1.3.2.5 Thông số về nhiệt độ: Kí hiệu Thông số PowerSO 20 Multiwatt15 Đơn vị Rth-j-case Độ bền nhiệt của mối nối PN – vỏ(MAX) - 3 oC/W Rth-j-amp Độ bền nhiệt của mối nối PN –
môi trường(MAX)
13(*) 35 oC/W
2 OUT 1 Đầu ra 1 của cầu A 3 OUT 2 Đầu ra 2 của cầu A
4 Vs Chân cấp nguồn cho tầng công suất. Cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF nối giữa chân này và chân GND
5 IN 1 Ngõ vào của cầu A
6 EN A Chân cho phép cầu A hoạt động. Khi chân này ở mức điện áp cao sẽ cho phép cầu A hoạt đông. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
7 IN 2 Ngõ vào 2 của cầu A
8 GND Chân lấy đất.
9 Vss Chân cấp nguồn cho khối logic 5V
10 IN 3 Đầu vào của mạch cầu B
11 EN B Chân cho phép cầu B hoạt động. Khi chân này ở mức điện áp cao sẽ cho phép cầu B hoạt đông
12 IN 4 Đầu vào của mạch cầu B
13 OUT 3 Đầu ra của mạch cầu B
1.3.2.7 Thông tin ứng dụng.
Mạch cầu H kép L298 của SGS-Thompson (và các hãng khác) có thểđiều khiển dòng điện lên tới 2A trên một kênh và được đóng vỏ như một linh kiện công suất, ta có thể nối hai cầu H bên trong một vỏ LS298 thành một cầu H 4A .
IC L298 tích hợp 2 tầng công suất (A, B). Tần công suất chính là mạch cầu và ngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở nhiều chế độ hoạt động khác nhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào) Dòng điện từ chân ngõ ra chảy qua tải đến chân cảm ứng dòng : điện trở ngoài RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòng điện này.
Mỗi cầu được điều khiển bởi 4 cổng ngõ vào In1, In2, EnA, và In3, In4, EnB. Các chân In có tác dụng khi chân En ở mức cao, khi chân En ở mức thấp, các chân ngõ vào In ở trạng thái cấm. Tất cả các chân đều tương thích với chuẩn TTL.
1.3.3. Ghép L297 với L298
Dựa vào datasheet ta có mạch ghép nối L297 với L298 như hình :
Sơ đồ ế ố
15 SENS B Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND đểđiều khiển dòng tải
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý driver điều khiển động cơ bước.
1.4.Mạch breakout giao tiếp máy tính.
Trong hệ thống điều khiển máy phay CNC, phần kết nối giữa máy tính và máy CNC là một phần rất quan trọng. Hiện nay để giao tiếp giữa máy CNC và máy tính thường giao tiếp qua cổng LPT và cổng USB. Mỗi phương các giao tiếp đều có những ưu và nhược điểm khác nhau.
Đối với mạch giao tiếp máy tính bằng cổng USB thì có nhiều ưu điểm như hiện đại hơn, dễ dàng giao tiếp với mọi máy tính vì cổng USB trên mọi máy tính đều có.