Các thơng số kích thước gối trục ổ bi nhào UCF204: 1 64 L mm L86mm 1 12 d mm M 6mm 33,3 A mm A125,5mm 15 t mm B31mm 12,7 S mm D20mm Thiết kế trục tác động:
Từ việc thiết kế các chi tiết trên ta đưa ra kết cậu trục như sau: Chiều dài trục: ltruc 33,3 2 6 5 2 8 15 15 120,6 mm
Đường kính tại các tiết diện lắp như sau: Tại tiết diện lắp ổ lăn: d1 20mm
Tại tiết diện lắp khâu nối giá: d2 10mm
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 72 23 5 72.6 120.6 Ø 20 Ø 10 Ø 10 M8 8 1 5 Hình 6.18 Kết cấu trục tác động
Mơ hình thiết kế mơ phỏng:
Hình 6.19 Mơ hình thiết kế mơ phỏng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 73
Hình 6.20 Mơ hình chế tạo thực tế
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 74
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 75
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính 7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính
Ngày nay máy tính được dùng rất nhiều việc và trở nên rất phổ biến trong cuộc sống cũng như trong kỹ thuật. Trong kỹ thuật nó thường được dùng rất nhiều để thu thập dữ liệu, sau đó tính tốn rồi xuất tín hiệu điều khiển ra bên ngoài. Để các hệ thống đo lường và điều khiển có thể ghép nối với máy tính chúng ta cần phải có thêm phần mềm để giao tiếp với các mạch điện bên ngoài. Muốn viết được phần mềm trước hết chúng ta phải biết được cách giao tiếp với máy tính.
Có nhiều kiểu giao tiếp với máy tính như: giao tiếp qua slot, giao tiếp qua cổng song song(LPT), giao tiếp qua cổng nối tiếp.
Hình 7.1 Các kiểu giao tiếp với máy tính
a. Giao tiếp qua cổng song song LPT b. Giao tiếp qua khe slot.
c. Giao tiếp qua cổng nối tiếp (COM)
Ở đây để đơn giản, ta sử dụng cách giao tiếp với máy tính qua cổng nối tiếp (COM).
7.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp
Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau:
- Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song. - Số dây kết nối ít.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 76 - Có thể truyền khơng dây dùng hồng ngoại.
- Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device). - Cho phép nối mạng.
- Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc. - Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản
Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE (Data Terminal Equipment) và DCE (Data Communication Equipment). DCE là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, PLC, vi điều khiển, … Việc trao đổi tín hiệu thơng thường qua 2 chân RxD (nhận) và TxD (truyền). Các tín hiệu cịn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và điều khiển quá trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt tay (handshake). Ưu điểm của q trình truyền dùng tín hiệu bắt tay là có thể kiểm sốt đường truyền. Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA (Electronics Industry Associations). Chuẩn RS-232 quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V (space) và có khả năng cung cấp dịng từ 10 mA đến 20 mA.
Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch. Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps.
Các phương thức nối giữa DTE và DCE:
- Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng.
- Bán song công ( half-duplex): dữ liệu truyền theo 2 hướng, nhưng mỗi thời điểm chỉ được truyền theo 1 hướng.
- Song công (full-duplex): số liệu được truyền đồng thời theo 2 hướng. Định dạng của khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS-232 như sau:
Khi không truyền dữ liệu, đường truyền sẽ ở trạng thái mark (điện áp -10V). Khi bắt đầu truyền, DTE sẽ đưa ra xung Start (space: 10V) và sau đó lần lượt truyền từ D0
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 77 đến D7 và Parity, cuối cùng là xung Stop (mark: -10V) để khôi phục trạng thái đường truyền.
Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 như sau Chiều dài cable cực đại 15m Tốc độ dữ liệu 20 Kbps Điện áp ngõ ra cực đại ±25V Điện áp ngõ ra có tải 5V đến 15 V Trở kháng tải 3K đến 7K Điện áp ngõ vào ±15V Độ nhạy ngõ vào 3V Trở kháng ngõ vào 3K đến 7K
Bảng 7.1 Bảng các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232
Các tốc độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200 bps, 4800 bps, 9600 bps và 19200 bps.
Cổng COM có hai dạng: đầu nối DB25 (25 chân) và đầu nối DB9 (9 chân) mơ tả như hình 7.2.
Hình 7.2 Sơ đồ các chân cổng COM DB25 và DB9
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 78
Bảng 7.2 Bảng mô tả các chân cổng COM
7.3 Giới thiệu về động cơ bước
Động cơ bước ngay nay đước sử dụng trong điều khiển. Với cơng suất khơng lớn và có nhiều loại, giá thành khơng cao lắm, đạt độ chích xác cao. Có khả năng truyền động tịnh tiến và chuyển động quay. Đặc biệt có thể thay đổi vận tốc hay momen xoắn trong vùng khá lớn trực tiếp trên động cơ hay qua bộ truyền một cách dễ dàng. Nếu muốn trục động cơ quay bao nhiêu vịng, quay với tốc độ nào thì cấp xung theo cấp độ đó. Như vậy trục động cơ sẽ quay với vận tốc theo tần số cấp xung, khi dừng động cơ tự khố chặt khơng thể quay được nữa cho đến khi có tín hiệu xung mơí chạy tiếp. Khi động cơ làm việc với tốc độ nào đó thì momen xoắn tỉ lệ nghịch với vận tốc quay đó.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 79 Tóm lại động cơ bước rất phù hợp cho điều khiển tay máy song song. Vậy cần 3 động cơ bước, nó sẽ cùng làm việc khi xung được cấp và cùng dừng khi xung dừng.
7.3.1 Nguyên lý đặc điểm của động cơ bước
Nguyên lý làm việc của động cơ bước là dựa trên sự tác động tương hổ giữa từ trường của Stato và Roto hình thành Momen từ làm quay Roto đi một góc nhất định (hay gọi là bước) dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau.
Khi một xung dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của dộng cơ bước, thì Roto của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định và nếu tác dụng xung một cách liên tục thì Roto của động cơ sẽ quay liên tục.
Vi trí của động cơ được xác định bằng số lượng xung và vận tốc tỷ lệ với tần số xung và xác định bằng số bước trên sec. Vận tốc lớn nhất của động cơ có thể đạt được là 3000 v/f, và loại đặt biệt có thể đạt đến 20000 v/f , cơng suất của động cơ bước hiện nay có thể đạt từ vài W – 5 KW.
Tính năng làm việc của động cơ được đặt trưng bởi bước được thực hiện, đặc tính góc (quan hệ giữa momen điện từ theo góc giữa trục của roto và trục của trường tổng) tần số xung giới hạn sao cho các q trình q độ khi hồn thành 1 bước có thể tắt đi trước khi bắt đầu bước tiếp theo. Tính năng mở máy của động cơ đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà khơng cho Roto mất đồng bộ (bỏ bước). Tùy theo kết cấu của từng loại động cơ mà tần số động cơ có thể nhận được từ 10 đến 10000Hz.
Chiều quay các động cơ bước khơng phụ thuộc vào chiều dịng điện chạy trong các cuộn dây pha mà phụ thuộc vào thứ tự các cuộn dây phần ứng được cấp xung điều khiển. Nhiệm vụ này do bộ phận chuyển phát thực hiện.
7.3.2 Cấu tạo chung của động cơ bước
Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ họat động dưới tác dụng của các xung rời rạc. Do đó có cấu tạo cũng gồm hai phần:
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 80
Hình 7.3 Cấu tạo động cơ bước
Stato: thường có các dạng cực móng hay dạng răng (cực) có cực từ xen kẻ nhau. Số cuộn dây phần ứng (hay còn gọi là số cuộn dây pha ) của động cơ bước thường được chế tạo từ 2 đến 5 cuộn dây pha. Mỗi cuộn dây pha được quấn thành nhiều cuộn dây (bối dây) và được đặt đối nhau trong các rãnh của Stato. Đối với cuộn dây pha có 2 cuộn thì chỉ dùng cho điều khiển luỡng cực ( cuộn dây có cực tính thay đổi ), với 4 cuộn dây có thể dùng cả hai chế độ điều khiển đơn cực hay lưỡng cực.
Roto cũng có 2 lọai: đối với loại cơ từ trở thay đổi thì thường có dạng răng , cịn đối với các loại nam châm vĩnh cửu có các cực được phân bố đều nhau.
7.3.3 Phân loại động cơ bước
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng về mặt cấu tạo động cơ bước có thể chia làm 2 loại : động cơ bước nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet Motors) và động cơ bước có từ trở thay đổi ( Variable Reluctance Motors). Ngồi ra cịn có loại động cơ kết hợp các ưu điểm của hai động cơ trên: Động cơ nam châm vĩnh cữu với dạng cực móng và động cơ có từ trở thay đổi gọi là động cơ bước hổn hợp (hydrid motors) hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng.
Động cơ bước có từ trở thay đổi (Variable Reluctance Motors)
Động cơ có từ trở thay đổi hay còn gọi là động cơ bước phản kháng. Kiểu động cơ này có góc bước giới hạn từ 1,80 đến 300 trong chế độ điều khiển bước đủ, momen hảm từ 1 đến 50 Ncm, tần số khởi động lớn nhất 1 KHz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20 KHz. Stato được chế tạo thành dạng răng có bước cực
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 81
s. Cuộc dây pha được quấn trên 2 hay 4 răng đối xứng nhau. Roto cũng chế tạo dưới
dạng răng có bước cực r.
Hình 7.4 Cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha
Hình trên là cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha. Cách nối dây như trên hình vẽ, với một đầu dây chung nối tất cả các cuộn dây pha. Đây là cách mắc thông dụng của động cơ loại này. Công dụng của dây chung là để điều khiển việc cấp nguồn cho các cuộn dây pha một cách tuần tự.
Đây là loại động cơ có góc bước s = 300 . Roto có dạng răng gồm 4 răng đối xứng nhau và Stato gồm 6 cực, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 2 cuộn dây đối xứng nhau.
Nếu tác dụng một xung dòng điện hay hiệu điện thế vào cuộn một thanh Roto mang dấu X bị hút bởi những cực của cuộn dây này. Nếu ngắt cuộn 1 nối cuộn 2 này thì Roto sẽ quay một góc 300 theo chiều kim đồng hồ để cực mang dấu Y thẳng hàng với những cực của cuộn 2.
Muốn cho Roto quay liên tục ta chỉ việc cấp nguồn các cuộn dâ một cách tuần tự.
Cuộn dây 1: 1001001001 Cuộn dây 2: 0100100100 Cuộn dây 3: 0010010010 Thời gian
Để có được động cơ bước có từ trở thay đổi có góc bước nhỏ hơn ta sử dụng động cơ có Stato ở dạng răng có nhiều cực và Roto cũng có nhiều cực bố trí hợp lý cho
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 82 phép s chừng vài độ. Ngồi ra động cơ có từ trở thay đổi có 4 hay 5 cuộn dây pha và chế độ điều khiển thích hợp cho s nhỏ hơn.
Động cơ bước nam châm vĩnh cữu ( Permanent Magnet Motors)
Động cơ bước nam châm vĩnh cữu hay còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng thường được chế tạo có Stato cực móng điều khiển bước đủ, momen hãm từ 0,5 đến 25 Ncm, tần số khởi động lớn nhất 0,5 KHz và tần số làm việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 KHz.
- Động cơ đơn cực ( Unipolar motors):
Động cơ đơn cực với 6 đầu ra thường có cấu tạo như hình vẽ. Mỗi cuộn dây có một đầu chung là điểm giữa mỗi đầu cuộn dây. Khi vận hành điểm giữa này được nối với nguồn cung cấp và mỗi đầu dây cịn lại của cn dây thay nhau nối đất để đảo chiều từ trường sinh ra bởi cuộn dây pha đó.
Hình 7.5 Mặt cắt của động cơ đơn cực có s = 300 .
Roto của động cơ là một nam châm vĩnh cữu với 6 cực. 3 cực nam và 3 cực bắc được bố trí xen kẽ vịng quanh Roto.
Với động cơ có độ phân giải cao hơn thì Roto tương ứng phải có nhiều cực hơn. Động cơ như trên hình là loại phổ biến nhất của động cơ nam châm vĩnh cữu bên cạnh động cơ có s = 150 hay 7,50 .
Hoạt động của động cơ trên : Khi tác dụng xung dòng điện ( hiệu điện thế) chạy qua nhánh rẽ của cuộn dây một pha tới đầu cuộn dây một (1 --> A) làm cho cực trên của Stato là cực bắc trong khi cực phía dưới là cực nam. Sự phân cực như vậy làm
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 83 cho Roto bị kéo đến một vị trí như hình vẽ. Nếu ngưng tác dụng của một mà tác dụng cuộn 2 thì Roto sẽ quay mơt góc 300 hay đi được một bước.
Nếu tác dụng xung một cách tuần tự thì Roto sẽ quay liên tục. Cuộn dây 1a: 1000100010001
1b: 0010001000100 Cuộn dây 2a: 0100010001000 2b: 0001000100010 Thời gian :
Cuộn dây 1a: 1100110011001 1b: 0011001100110 2a: 0110011001100 2b: 1001100110011 Thời gian:
Chú ý rằng hai nữa của cuộn dây không bao giờ ở trạng thái tích cực trong cùng một thời điểm. Cả hai cách cung cấp tín hiệu tuần tự như trên điều làm cho động cơ quay một bước tại mỗi thời điểm. Cách đầu tiên chỉ có một cuộn dây tại một thời điểm là dẫn và như vậy nó tốn năng lượng thấp hơn.
Cách thứ hai tại một thời điểm có hai cuộn dây được cung cấp nguồn và như vậy nó tốn năng lượng hơn, nhưng bù lại nó cung cấp một momen gấp 1,4 lần so với cách thứ nhất do đó cơng suất cao hơn.
- Động cơ lưỡng cực (Bipolar Motors.)
Động cơ nam châm vĩnh cữu lưỡng cực và động cơ hỗn hợp có cấu trúc hồn tồn giống động cơ đơn cực, nhưng 2 cuộn dây pha được mắc đơn giản hơn, khơng có nhánh rẽ trên mỗi cuộn dây vì vậy động cơ đơn cực được mắt đơn giản hơn nhưng bù lại thì mạch dẫn động cơ cần đảo cực của mỗi cặp cực của mỗi động cơ phức tạp hơn tức là các cuộn dây pha được điều khiển lưỡng cực.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 84
Hình 7.6 Mặt cắt của động cơ lưỡng cực
Mạch điều khiển động cơ đòi hỏi một mạch cầu H cho mỗi cuộn dây. Mạch cầu H cho phép điều khiển các cực của mỗi cuộn dây khi cấp nguồn một cách độc lập. Trình tự điều khiển cho bước đơn của động cơ được biểu diễn dưới đây +, -, chỉ cho ta thấy chiều của dòng điện cuộn dây.
Nút 1a: + - - - + - - - + - - - + - - - 1b: - - + - - - + - - - + - - - + - 2a: - + - - - + - - - + - - - + - - 2 b: - - - + - - - + - - - + - - - + Thời gian: Hay 1a: + + - - + + - - + + - - + + - - 1b: - - + + - - + + - - + + - - + + 2a: - + + - - + + - - + + - - + + - 2b: + - - + + - - + + - - + + - - +
Ta có thể nhận ra động cơ bước lưỡng cực nam châm vĩnh cữu bốn đầu dây động cơ bằng cách đo điện trở các đầu dây ta sẽ xác định hai cuộn dây. Trong mỗi cuộn nếu hai đầu được mắc nối tiếp có thể sử dụng động cơ lưỡng cực điện áp cao. Nếu chúng