Trong mỗi pha, mỗi cuộn dây mang dòng điện ngược chiều với cuộn dây khác. Chỉ có một cuộn dây sẽ mang dịng điện tại một thời điểm trong mỗi pha để đạt được hướng quay cụ thể. Vì vậy, chỉ bằng cách chuyển đổi các cực sang từng cuộn dây, hướng quay được kiểm soát.
Trong trường hợp động cơ bước lưỡng cực, mỗi pha bao gồm một cuộn dây chứ không phải hai trong trường hợp một cực đơn. Trong đó, hướng quay được điều khiển bằng cách đảo ngược dòng điện qua cuộn dây. Do đó, nó địi hỏi một mạch điều khiển phức tạp để đảo ngược hiện tại.
5. Động cơ bước đơn cực 6 dây
Hình 3.9: Hình ảnh động cơ bước đơn cực 6 giây và mô tả các cuộn dây
Đo thông mạch để xác định 3 đầu dây trên cùng 1 cuộn dây:
Bước này xác định được 2 nhóm, mỗi nhóm có 3 dây
Hình 3.10: Xác định hai nhóm dây của động cơ bước đơn cực 6 dây
Xác định đầu dây chung:
Điện trở đo từ đầu 2 dây sẽ gấp đôi điện trở từ dây chung đến mỗi dây. Ví dụ:
Điện trở từ 2 đầu dây là: 8,3 ohm, điện trở từ dây chung đến mỗi dây là 4,8 ohm.
Lặp lại tiến trình cho đến khi xác định được 2 dây chung. Trong trường hợp cụ thể này, 2 dây chung là dây trắng và dây vàng. Các đầu cuộn dây là còn lại là đỏ, xanh lục, đen, xanh dương. Sau khi xác định được dây chung của
2 cuộn dây, nối chúng lại với nhau. Xác định thứ tự các dây:
• Có 1 dây khi chạm sẽ làm trục quay nửa bước (theo chiều kim đồng hồ) – dây đen (đánh số 1)
• Có 1 dây khi chạm sẽ làm trục quay lùi 1 bước (ngược chiều kim đồng hồ) – dây xanh lục (đánh số 3)
• Có 1 dây khi chạm thì đứng im – xanh dương (đánh số 4)
Hình 3.11: Xác định thứ tự dây
6. Các chế độ bước của động cơ bước
Mỗi bước của động cơ thì tương ứng với một xung được cấp vào cuộn dây của động cơ. Do đó, chế độ bước của động cơ sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào nguồn năng lượng cấp cho động cơ. Sau đây là các chế độ vận hành hoặc điều khiển phổ biến nhất của động cơ bước.
Bước dạng sóng Bước tồn phần Bước 1/2
Bước siêu mịn Chế độ bước dạng sóng
Chế độ bước dạng sóng là đơn giản nhất trong tất cả các chế độ khác, trong đó chỉ có một cuộn dây được cấp năng lượng tại bất kỳ thời điểm nào. Mỗi cuộn dây của pha được nối với nguồn thay thế mà các cuộn dây được cấp năng lượng trong động cơ bước 4 pha.
Trong chế độ này, động cơ cho góc bước tối đa so với tất cả các chế độ khác. Đây là chế độ đơn giản nhất và được sử dụng phổ biến nhất cho bước; tuy nhiên mô- men xoắn được tạo ra ít hơn vì nó sử dụng một phần của toàn bộ cuộn dây tại một thời điểm nhất định.
Chế độ bước toàn phần
Trong chế độ này, hai pha stato được cấp năng lượng đồng thời tại bất kỳ thời điểm nào. Khi hai pha được cấp năng lượng cùng nhau; rôto sẽ trải qua mô-men xoắn từ cả hai pha và đến vị trí cân bằng, sẽ được xen kẽ giữa hai vị trí bước sóng liền kề hoặc kích 1 pha. Vì vậy,chế độ này cung cấp mơ-men giữ tốt hơn bước dạng sóng.
Hình 3.12: Chế độ bước đủ - full step
Chế độ bước ½
Đây là sự kết hợp của cả chế độ bước sóng và bước tồn phần. Trong đó, các kích dịng một pha và hai pha được thực hiện xen kẽ; tức là, một pha ON, hai pha ON, … Góc bước trong chế độ này trở thành một nửa của góc bước tồn phần. Chế độ điều khiển này có mơ-men xoắn cao nhất và ổn định so với tất cả các chế độ khác.
Hình 3.13: Chế độ bước ½ - half step
7. Ưu nhược điểm của động cơ bước
• Điều khiển vịng hở ít tốn
• Tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số xung đầu vào; có thể đạt được một phạm vi tốc độ quay rộng.
• Khi tải được ghép với trục, vẫn có thể nhận ra vịng quay đồng bộ với tốc độ thấp.
• Định vị chính xác và độ lặp lại của chuyển động là tốt • Lỗi khơng được tích lũy từ bước này sang bước khác.
• Động cơ bước là an toàn hơn; và chi phí thấp (so với động cơ servo), có mơ-men xoắn cao ở tốc độ thấp; độ tin cậy cao với cấu trúc đơn giản hoạt động ở mọi mơi trường.
• Nhược điểm của động cơ bước
• Động cơ bước có hiệu suất thấp.
• Nó có độ chính xác thấp chưa bằng với động cơ servo • Mơ-men xoắn của nó giảm rất nhanh với tốc độ.
• Vì động cơ bước hoạt động trong điều khiển vịng hở; khơng có phản hồi để chỉ ra các bước lỗi.
• Nó có mơ-men xoắn thấp đến tỷ lệ qn tính cao • Gây nhiều tiếng ồn khi hoạt động.
3.8.Các ứng dụng của động cơ bước
Như chúng ta đã biết; nhiều động cơ điện công nghiệp được sử dụng với điều khiển phản hồi vịng kín; để đạt được vị trí chính xác hoặc điều khiển tốc độ chính xác. Nhưng, động cơ bước có thể hoạt động trên bộ điều khiển vịng hở. Điều này giúp giảm tổng chi phí hệ thống; và đơn giản hóa thiết kế máy so với điều khiển hệ thống servo…
Hình 3.14: Các ứng dụng của động cơ bước
Các ứng dụng của động cơ bước
• Động cơ bước được sử dụng trong các thiết bị sản xuất tự động; và máy cơng nghiệp như đóng gói, dán nhãn, làm đầy và cắt, …
• Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị an ninh như camera an ninh & giám sát.
• Trong ngành y tế; động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các mẫu, chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số; bơm chất lỏng, máy phân tích máu và máy qt y tế, …
• Chúng được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng trong máy scan, máy photocopy; máy in và trong máy ảnh kỹ thuật số để tự động thu phóng và lấy nét.
• Động cơ bước cũng được sử dụng trong thang máy, băng tải và chuyển hướng băng chuyền…
Động cơ bước là một thiết bị cơ điện không chổi than, chuyển đổi các chuỗi xung điện tại các cuộn kích của chúng thành trục quay cơ học. Từng bước quay được xác định chính xác. Trục của động cơ quay qua một góc cố định cho mỗi xung rời rạc. Chuyển động này có thể là tuyến tính hoặc góc.
CHƯƠNG 4 :ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
4.1. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG DRIVER A4988 + ARDUINO
Như lý thuyết đã trình bày ở phần trước, động cơ bước (stept motor) hoạt động nhờ vào việc cấp các xung vào cuộn dây quấn ở các cực của stator. Mỗi xung được cấp sẽ tương ứng với một bước quay cố định, số góc quay của mỗi bước sẽ phụ thuộc vào thiết kế cụ thể của từng động cơ và cách cấp xung cho nó.
Để cấp xung cho động cơ, có rất nhiều phương pháp, ở đồ án này, nhóm em sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino kết hợp với Drive A4988 và động cơ bước 17.
Hình 4.1: Động cơ bước 17
• Giới thiệu về Drive A4988
A4988 là một trình điều khiển vi bước để điều khiển động cơ bước lưỡng cực có bộ dịch tích hợp để vận hành dễ dàng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển của chúng ta hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước.
Driver cung cấp năm độ phân giải bc khỏc nhau: bc , ẵ bc, ẳ bc, 1/8 bước và 1/16 bước. Ngồi ra, nó có một biến trở để điều chỉnh đầu ra hiện tại, tắt khi nhiệt độ quá cao và bảo vệ dòng điện chéo.
Nguồn vào của nó là từ 3 đến 5,5 V và dòng điện tối đa trên mỗi pha là 2A nếu được làm mát bổ sung tốt hoặc dịng điện liên tục 1A mỗi pha mà khơng cần tản nhiệt hoặc làm mát.
Hình 4.3: Thơng số kỹ thuật A4988
Thơng Số Kỹ Thuật
• Điện áp ni Main từ 3.3V đến 5V • Điện áp điều khiển Motor từ 8V đến 35V • Kích thước nhỏ gọn:15mm x 20mm x 2 mm
• Điều khiển 5 chế độ: full step, 1/2step, 1/4step, 1/8step, 1/16step • Cơng suất tải motor từ 0.5A đến 1.5
• Điều chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF x 2,5 • Tự động ngắt khi bị quá tải nhiệt Datasheet: A4988.
Chân ra Drive A4988
Hình 4.4: Sơ đồ nối dây A4988
• VDD và GND: chân cấp nguồn 3 – 3,5 V cho A4988
• VMOT và GND: chân cấp nguồn 8 – 35 V cho động cơ. Sử dụng thêm tụ có dung lượng tối thiểu 47 μF để bảo vệ board điều khiển khỏi các xung điện áp. • Chân 1A và 1B sẽ được kết nối với 1 cuộn dây của động cơ
• Chân 2A và 2B sẽ được kết nối với cuộn dây cịn lại
• Chân STEP: điều khiển bước quay của động cơ, mỗi xung đưa vào chân này ứng với một bước quay của động cơ
• Chân DIR: điều khiển chiều quay của động cơ bằng cách đưa tín hiệu cao hoặc thấp
• Chân SLEP: nếu đặt mức logic thấp ở đây, board sẽ được đưa về trạng thái nghỉ khi động cơ khơng được điều khiển
• MS1, MS2, MS3: để chọn độ phân giải để điều khiển, nếu ngắt kết nối, board sẽ hoạt động ở chế độ bước.
• Giới thiệu về arduino MEGA 2560
Thơng số kỹ thuật
• Vi điều khiển ATmega2560 • Điện áp hoạt động 5V
• Điện áp đầu vào (khuyến nghị) 7-12V (JACK DC) • Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
• Chân I / O kỹ thuật số 54 (trong đó 15 chân cung cấp đầu ra PWM) • Chân đầu vào tương tự 16
• Dịng điện DC trên mỗi chân I / O 40 mA • Dịng điện một chiều cho chân 3,3V 50 mA
• Động cơ bước 17 (12V)
Hình 4.5: Động cơ bước 17HS4401 (12VDC)
Thơng số kỹ thuật động cơ bước 17HS4401
Góc quay mối bước: 1.8 ° ( 200 bước / vòng quay)
Dịng điện: 1.7A
Mơmen Xoắn giữ: 40N.cm
Mơmen xoắn: 2.2N.cm
Rotor qn tính: 54g.cm2
Độ chính xác góc bước: ± 5% (bước đầy đủ, không tải)
Khối lượng động cơ: 280g
Chiều dài thân: 40 mm
Kích thước khung: 42 x 42mm
Đường kính trục: 5mm
Triết áp 100k
Hình 4.7: Triết áp đơn 100k
Thơng Số Kĩ Thuật
Sai số: 10%.
Nhiệt độ hoạt động: -55oC – 125oC.
Khoảng thay đổi giá trị điện trở: 0- 100K ohm
Công suất: 2W.
Loại: Đơn, 3 chân.
Loại điều chỉnh: tuyến tính.
Sơ đồ mạch
Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển động cơ bước bằng Arduino và Drive A4988
Hai chân STEP và DIR của Drive A4988 sẽ được kết nối lần lượt vào các chân P4, P3 của vi điều khiển Arduino.
Các chân MS1, MS2, MS3 được nối vào các chân P5, P6, P7 của vi điều khiển Aruduino để tinh chỉnh độ phân giải điều khiển:
• Full step: mỗi bước 1,8o • Halft step: mỗi bước 0,9o • Quarter step: mỗi bước 0,45o • Eighth step: mỗi bước 0,225o • Sixteenth step: mỗi bước 0,1125o
MODULE NGUỒN
MODULE NGUỒN DC
SƠ ĐỒ DẤU NỐI
Chương trình điều khiển điều chỉnh theo ý muốn.
CODE NỘI DUNG
// Run a A4998 Stepstick from an Arduino MEGA 2560. int x = 0; int n=0; int en = 5 ; int dirX = 7 ; int stepX = 6 ; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(en,OUTPUT); // Enable pinMode(stepX,OUTPUT); // Step pinMode(dirX,OUTPUT); // Dir
digitalWrite(en,LOW); // Set Enable low }
Khai báo các chân tín hiệu
void loop() {
Serial.print("Quay bao nhieu vong?: "); while(Serial.available()==0){
}
n = Serial.parseInt(); Serial.print(n); x = n*200;
digitalWrite(stepX,HIGH); delay(1); digitalWrite(stepX,LOW); delay(1); delay(2000); } Dừng 2000ms
Điều khiển động cơ quay góc ngược
CODE NỘI DUNG
// Run a A4998 Stepstick from an Arduino MEGA 2560. int x = 0; int n=0; int en = 5 ; int dirX = 7 ; int stepX = 6 ; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(en,OUTPUT); // Enable pinMode(stepX,OUTPUT); // Step pinMode(dirX,OUTPUT); // Dir
digitalWrite(en,LOW); // Set Enable low }
Khai báo các chân tín hiệu
void loop() {
while(Serial.available()==0){ } n = Serial.parseInt(); Serial.print(n); x = n*200; digitalWrite(dirX,HIGH); for (int i = 1 ; i<= x ; i=i+1){
digitalWrite(stepX,HIGH); delay(1);
digitalWrite(stepX,LOW); delay(1);
Đặt chế độ full step (1,8o/ 1 bước)
delay(2000);
} Dừng 2000ms
Chương trình điều khiển cố định.
#define EN 5 #define STEP 6 #define DIR 7 int x;
unsigned int vongQuay = 500; void setup()
{
Serial.begin(9600); // SPI.begin();
pinMode(EN,OUTPUT); // Enable pin - chân khởi động - nối vào GND sẽ giúp ta bật động cơ bước, nối vô VCC động cơ bước được thả ra. Nôm na: GND = servo.attach, VCC = servo.detach
pinMode(STEP,OUTPUT); // Step pin pinMode(DIR,OUTPUT); // Dir - pin digitalWrite(STEP,LOW); // Set Enable low } void loop(){ //if (flag == 1) { Serial.println("Mở"); digitalWrite(EN,LOW); // Quay nghịch digitalWrite(DIR,HIGH);
for(x = 0; x <= vongQuay; x++) // Cho chay 1 vong
{
digitalWrite(STEP,HIGH); // Output high delay(5); // chờ
digitalWrite(STEP,LOW); // Output low delay(5); // chờ } } delay(3000); //if (flag == 0) { Serial.println("ĐÓNG");
digitalWrite(EN,LOW); // Quay thuận digitalWrite(DIR,LOW);
for(x = 0; x <= vongQuay; x++) // Cho chay 1 vong
{
digitalWrite(STEP,LOW); // Output low delay(5); // chờ } delay(3000); } } Kết luận :
Bộ code trên do chúng em tự nghiên cứu và thiết kế có thể giúp cho các sinh viên khóa sau áp dụng vào q trình học tập và nghiên cứu để tự điều khiển như hệ thống cánh vẫy của điều hịa khơng khí theo ý của mình.
Sinh viên có thể hiểu hơn về ARDUINO và cách đấu nối với động cơ bước vào nhiều ứng dụng khác khơng chỉ mỗi hệ thống cánh vẫy điều hịa.
Ngồi ra sinh viên có thể tự thiết kế và phát triển bộ code để điều khiển hệ thống và thành thạo sử dụng ARDUINO.
Cách vận hành:
Bước 1: Đấu nối module theo sơ đồ mạch ở trên.
Bước 2: Dùng máy tính để nạp code cho arduino. Ở đây nhóm em nạp code để điều khiển arduino quay theo tốc độ yêu cầu bằng cách thay đổi giá trị của biến trở. Tùy vào yêu cầu thực tế chúng ta sẽ có nhiều cách đấu nối và các code điều khiển khác nhau để nạp cho arduino nhờ máy tính.
Bước 3: Cấp nguồn cho tồn bộ module. Ta sẽ thấy động cơ quay trơn tru, hoạt động tốt và ổn định hơn phương pháp cấp xung thủ cơng bằng tay. Ta cũng có thể
Kết luận: trong thực tiễn ta điều khiển động cơ bước chủ yếu bằng cách tự động cấp xung cho nó thơng qua các vi điều khiển điện tử. Theo phương pháp này ta có thể điều khiển tốc độ, góc quay, tốc độ quay của động cơ tùy ý nên rất thích hơp để làm tài liệu thức hành và giảng dậy trên giảng đường và nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày
4.2.ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC BẰNG TAY
Điều khiển động cơ bước bằng nút nhấn: Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước ULN2003 + Động Cơ Bước 5V
Hình 4.13: Động cơ bước sử dụng nguồn điện 1 chiều 12 v chạy bằng nút nhấn
Thông Số Kĩ Thuật
Mạch đệm ULN2003: