- Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rơto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết. - Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
10.2 Hoạt động.
- Động cơ bước không quay theo cơ chế thơng thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
- Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
- cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác.
- cơng nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in...
2.10.4 Phân loại.
- Về cơ bản có 3 loại động cơ bước: loại từ trở biến đổi (Variable Reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid). Chúng khác nhau ở cấu tạo trong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu và/hoặc lõi sắt với các lá thép stato.
- Loại có từ trở biến đổi (Variabke Reluctance)
+ Thơng thường có 3 hoặc 4 cuộn dây được nối chung một đầu. Đầu chung được nối với nguồn dương, các đầu cịn lại cho thơng với đất để quay Rotor. Cả Stator và Rotor đều có răng. Rotor được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay. Chiều quay của động cơ khơng phụ thuộc vào chiều dòng điện mà chỉ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuộn dây.
+ Loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm nhưng mơmen đồng bộ nhỏ.
Hình 1.8.1 :Loại lai (Hybrid).
+ Loại động cơ này về cấu tạo giống với động cơ bước kiểu đơn cực. Tuy nhiên chỉ có 4 đầu ra. So với động cơ kiểu đơn cực thì loại này có chụng hai đầu ra ở điểm giữa mỗi cuộn dây .Ưu điểm của động cơ bước loại này là dòng điện chạy qua cả cuộn dây (cuộn 1, cuộn 2) và vậy tạo được mômen lớn. Tuy nhiên mạch điều khiển loại động cơ này phức tạp hơn, chúng ta phải đảo chiều dòng điện cho các cuộn dây. Mạch điều khiển sử dụng mạch cầu H.
- Loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rotor là một nam châm vĩnh cửu, điều này cho phép duy trì được momen khi động cơ bị mất năng lượng cấp vào. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu yêu cầu công suất thấp hơn để hoạt động. Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn. Góc bước của loại này có nhiều mức: 60-450. Trên hình là sơ đồ cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cửu với m=4 và 2p=2.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được chia thành:
+Động cơ bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor): +Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor) +Động cơ bước kiểu hỗn hợp (Hybrid stepping Motor) +Động cơ bước kiểu bối dây kép (Bifilar Stepper Motor)
+ Động cơ bước đơn cực có Rotor được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu. Chia thành các răng N, S xen kẽ. Stator được cấu tạo bởi 2 cuộn dây bố trí trực giao với nhau. Mỗi cuộn dây lại được chia thành 2 phần bố trí xuyên tâm đối. Giữa các cuộn dây này có một đầu ra để nối với dương nguồn. Động cơ loại này thường có 6 đầu ra. Đầu 1, 2 thường được nối với cực dương. Các đầu 1a, 1b, 2a và 2b được lần lượt nối đất sẽ quyết định chiều quay của động cơ. Máy khoan mạch in tự động sử dụng loại động cơ bước này vì động cơ có mạch điều khiển đơn giản, điều khiển dễ dàng, rất rẻ và rất dễ mua trên thị trường.
2.10.5 Đặc tính cơ động cơ bước và các phương pháp điều khiển.
- Tuỳ thuộc vào mô men yêu cầu trên trục động cơ và tốc độ quay mà ta có thể áp dụng các phương pháp điều khiển khác nhau cho động cơ bước. Trong vùng tốc độ thấp chỉ cần sử dụng phương pháp điều khiển điện áp trực tiếp, khi đó dịng điện sẽ được giới hạn bởi chính nội trở của các cuộn dây động cơ. Tuy nhiên tại vùng tốc độ cao, nếu tiếp tục sử dụng phương pháp này, mô men sẽ bị giảm nghiêm trọng do tính cảm của các cuộn dây sẽ giới hạn khả năng tăng của
dòng điện . Một phương pháp thường áp dụng để cải thiện tình hình này là sử dụng điện trở nối thêm vào các cuộn dây động cơ. Khi đó hằng số thời gian của động cơ sẽ giảm (vì L/nR thay vì L/R) dịng điện tăng nhanh hơn làm đặc tính cơ của động cơ cứng hơn. Tuy vậy, động cơ sẽ cần một điện áp điều khiển lớn hơn nhiều và hơn 70% công suất nguồn nuôi sẽ toả nhiệt trên các điện trở nối thêm này. Chính vì lí do này mà phương pháp điều khiển kiểu băm (băm xung) thường được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất, tăng độ cứng cho đặc tính cơ động cơ bước.
- Trong thực tế, phương pháp điều khiển băm xung (băm xung) được sử dụng rất rộng rãi. Phương pháp băm xung duy trì tần số khơng đổi (đây là phương pháp phổ biến nhất) cũng được chia thành 2 loại sau đây:
a. Phương pháp băm xung pha.
b. Phương pháp băm xung có bảo vệ (inhibit băm xung). c.Phương pháp băm xung duy trì thời gian t off khơng đổi . d. Phương pháp băm xung với tần số băm xung tự do.
- Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và mục đích sử dụng cũng khác nhau.
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
3.1. Thiết kế sơ đồ khối.
- Mạch điều khiển động cơ bước :bước thuận ,bước nghịch,bước nhanh ,bước chậm gồm 3khối chính :
- Khối 1 :Khối nguồn :Gồm 2 tụ 2200 uF và tụ 104;2 IC 7805 VÀ 7812;điện trở 1k và 560
3.2. Thiết kế mạch nguyên lý. 3.2.1.Mạch nguồn.
- Xuất phát từ các linh kiện trong mạch điện như các IC số có nguồn ni là 5Vvà động cơ bước có nguồn ni là 12V.Chúng em đã thiết kế bộ nguồn một chiều 5V và 12V như sau:
- Bộ nguồn gồm có 1 biến áp 220V-15V ,1 IC 7805.1 IC7812 và các điện trở, tụ lọc cần thiết.
Tính tốn cho các linh kiện:
- Do biến áp có chỉ số đầu ra là 15V và dòng điện là 1A.Mạch được rẽ làm 2 nhánh suy ra mỗi nhánh có điện áp 15V và dịng bằng ½ dịng chính và bằng 0,5A.
- Khi đi qua 7805 và 7812 dịng đầu ra được duy trì ở mức 1A.
- Ta đã biết dòng qua led đơn khoảng 20mA và sụt áp trên led đỏ là 2,4V suy ra R1=(12-2,4)/20mA=480ohm.chọn R1=1K.tương tự cho R2=560ohm
3.2.2.Mạch tạo xung vuông.
Mạch tạo xung dùng để cấp cho khối điều khiển:
Tính tốn cho mạch:
- mạch tạo xung gồm 1 IC NE555.Chân 1 nối mát chân 4 và chân 8 nối dương nguồn.
- tụ C5 là tụ 104 được nối vào chân 5,chân 3 là chân đầu ra - R4=1k,VR=50k,C6=47uF
- tần số f=1/(ln2*(R4+2VR)*C6)
3.2.3.Mạch điều khiển.
- Khối điều khiển gồm 1 IC 74194 và 4 con Tip 41C.IC 74194 dùng để tạo ra các bít điều khiển cho động cơ.Tip 41C có chức năng đảo tín hiệu.
3.2.4 Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch.
Khi ta cấp nguồn 220 V AC cho cuộn sơ cấp của máy biến áp,thì cuộn thứ cấp của máy biến áp cho ra nguồn điện từ 0 – 15 V AC với tần số 50Hz ( Điện áp xoay chiều sau khi đi qua cầu chỉnh lưu sẽ đươc biến đổi về nguồn 1 chiều ).
Sau khi đưa về dạng điện áp 1 chiều thì nguồn điện áp này được tụ lọc san phẳng điện áp .Tại đây điện áp 1 chiều được đưa vào các chân Vin của các IC ổn áp 7805 và 7812 .Từ chân ra của các IC ổn áp ta thu được nguồn điện +5V, +12V .
Ta cấp nguồn điện 1 chiều +5V vào để chạy NE555 tạo xung và IC 74194.Nguồn +12v cấp vào để chạy động cơ bước.
Tín hiệu điện áp 1 chiều từ bộ chỉnh lưu được cấp vào mạch tạo xung vuông. Các chân 4, 8 của NE555 được nối dương nguồn , chân số 1 nối mát , chân 5 được nối với tụ gốm 104 rồi xuống mát,chân2. 6 được nối với tụ hóa và nối vớichân 1,2 điều chỉnh của biến trở ,chân số 7 của NE 555 nối với điện trở và nối chân số 3 của biến trở ,chân số 3 của NE 555 tạo xung vuông
Đối với trường hợp động cơ quay thuận :
Tín hiệu ra từ chân số 3 của NE555 được cấp liên tục vào chân số 11 của 74194, cần gạt được gạt về phía phải, lúc đó chân 9 của IC 74194 được nối mát tức là ở mức logic “0”,còn chân 10 được nối với dương nguồn tức là ở mức logic”1” => Động cơ quay thuận. TIP41C có tác dụng dùng để ngăn cách nguồn điện áp +5v cấp cho IC và điện áp +12v cấp cho động cơ bước. Các đầu ra C của Tip41c được cấp vào 4 chân của động cơ bước.
Dải tín hiệu của động cơ bước khi quay thuận: THUẬN Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0
Đối với trường hợp động cơ quay ngược:
Tín hiệu ra từ chân số 3 của NE555 được cấp liên tục vào chân số 11 của 74194, và ta gạt cần gạt sang phía trái,chân số 10 của IC 74194 được nối xuống mát tức là ở mức logic “0” còn chân 9 được nối với dương nguồn tức là ở mức logic “1”
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
TIP41C có tác dụng dùng để ngăn cách nguồn điện áp +5v cấp cho IC và điện áp +12v cấp cho động cơ bước và đảo tín hiệu ra từ các chân đầu ra của IC 74194
Các đầu ra C của Tip41c được cấp vào 4 chân của động cơ bước.
2.3 THI CÔNG.
2.3.1 Thiết kế mạch in.
Sơ đồ mạch in
2.3.2.Thi công mạch in.
- Chuẩn bị: phíp đồng, dung dịch ăn mịn, mỏ hàn, thiếc, các linh kiện điện tử cần thiết, khoan.
- Các bước làm mạch in:
+ Sau khi đã có sơ đồ mạch in ta tiến hành in sơ đồ mạch ra giấy. + Áp sơ đồ mạch in trên giấy lên phíp đồng và cố định lại.
+ Dùng bàn là nhiệt là lên mặt giấy cho đến khi mực trên giấy được dính hết vào mặt phíp đồng ( khoảng từ 10-15 phút).
+ Sau khi mực đã dính hết vào mặt phíp đồng ta tiến hành bóc lớp giấy ra khỏi mặt phíp đồng và ngâm phíp đồng vào dung dịch ăn mịn.
+ Q trình ăn mịn diễn ra khoảng từ 20-30 phút.
+ Sau khi ăn mòn xong ta thu được mạch in vì những vị trí bị mực dính vào sẽ khơng bị ăn mịn.
+ Kiểm tra các vị trí trên mạch xem có bị đứt mạch hay khơng.
+ Khoan lỗ để cắm chân linh kiện (tùy thuộc kích cỡ chân linh kiện mà ta sẽ chọn cỡ mũi khoan)
cho bản thân ,đó cũng là nhờ sự chỉ dạy nhiệt tình của các thấy cơ và sự góp ý của các bạn.
Sau cùng một lần nữa chúng em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy “Trần Ngọc Thái”và thầy cô giáo trong khoa các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này.
4.2 Kết luận.
* Một số ưu điểm của động cơ bước: - Giá thành rẻ
- Có thế điều khiển mạch hở
- Duy trì momen rất tốt (khơng cần phanh, biến tốc). - Mô men xoắn cao ở tốc độ thấp.
- Chi phí bảo dưỡng thấp - Định vị chính xác.
- Không phải điều chỉnh các thông số diều khiển.
* Một số nhược điểm:
- Tiêu thụ dịng điện khơng phụ thuộc vào tải. - Kích cỡ hạn chế.
- Làm việc ồn.
- Mô men giảm theo tốc độ.
4.3 Hướng phát triển
Trong điều khiển truyền động kĩ thuật số,động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra.C húng được sử dụng ngày càng rộng rãi trong hệ thống tự động,điều khiển từ xa và nhiều thiết bị khác nổi bật là trong các lĩnh vực sau:điều khiển đọc ổ cứng,ổ mềm và máy in trong hệ thống máy tính,điều khiển robot,điều khiển tiêu cự trong quang học,điều khiển vị trí trong hệ quang khắc phức tạp,điều khiển bắt bám mục tiêu trong khí tài quan sát,điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công,cắt gọt,điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay......
Sau cùng, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Ngọc Thái cùng các thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm Đồ Án.
Xin chân thành cảm ơn các bạn cùng lớp đã đóng góp những ý kiến quý báu để đề tài này hoàn thành tốt đẹp.
Sinh viên thực hiện đồ án Đặng Tuấn Bản