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 khơng 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 hoàn toàn 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 được mắc song song thì có thể dùng điện áp thấp. Nếu chúng được mắc nối tiếp với nhánh rẽ thì có thể dùng động cơ đơn cực điện áp thấp.
7.3.4 Các vần đề về điều khiển trong động cơ bước
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 85 Nguyên lý chung của động cơ bước là dựa trên sự tác động tương hổ giữa từ trường của stuto và roto hình thành momen điện từ làm quay roto đi 1 góc nhất định hay 1 bước dưới tác dụng của các xung rời rạc. Cấu tạo đơn giản của động cơ có s = 900 , có 2 pha điều khiển theo phương pháp bước đủ.
Hình 7.7 Nguyên lý điều khiển bước đủ
Khi cho xung dòng điện (hay hiệu điện thế) vào cuộn dây pha 2 thì cực A mang dấu S, cực B mang dấu N, Roto ở vị trí thẳng đứng (trục từ trường Roto trùng với trục của từ trường pha 2).Nếu ngắt xung dòng điện vào cuộn 2 và cho xung dòng điện vào cuộn 1 thì lúc này thì cực D mang dấu N, cực C mang dấu S thì véctơ từ hóa của dịng điện sẽ quay đi một góc 900 , do đó roto quay một góc cũng bằng 900.
Sau đó ngắt xung tác dụng vào cuộn 1 và lại cho xung dòng điện tác dụng vào cuộn 2 nhưng lúc này đổi chiều dịng diện thì roto quay một góc 900 và tiếp tục như vậy sau bốn bước thì roto quay được một vịng.
Quá trình điều khiển cuộn dây theo trình tự (A+,B+,A-,B-….) (A+,B+),(A+,B), (A-,B-), (A-,B+) và ở mỗi bước có số cuộn dây điều khiển được cấp xung dòng điện như nhau. Dạng điều khiển này được gọi là điều khiển bước đủ hay diều khiển đối xứng.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 86
Phương pháp điều khiển nửa bước ( Half step ) :
Quá trình điều khiển của nửa bước cũng giống như điều khiển bước đủ, nhưng trình tự chuyển mạch các cuộn dây điều khiển có khác nhau: A+, (A+,B+), B+, (A- ,B+), A-, (A-,B-), B-, (A+,B-).
Phương pháp điều khiển này được gọi là phương pháp điều khiển nửa bước hay cịn gọi là điều khiển khơng đối xứng.
Trong hai phương pháp điều khiển trên, thì phương pháp điều khiển nửa bước do giá trị góc bước nhỏ hơn 2 lần và số bước/vịng tăng lên hai lần so với phương pháp điều khiển bước đủ.
Xét về yêu cầu bảo đảm độ chính xác trong điều khiển, thì phương pháp điều khiển nửa bước dễ dàng đáp ứng hơn nhưng bộ chuyển phát xung điểu khiển phức tạp hơn nhiều so với phương pháp điều khiền bước đủ.
Ngoài hai phương pháp điều khiển cơ bản trên thì cịn có một số cách điều khiển đặc biệt như: Microstepping, Midlevel, Highlevel.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 87 - Microstepping
Mục đích của điều khiển Microstepping: Nó cho phép động cơ bước dừng và giử ở vị trí trung gian giữa ở bước đủ hay nữa bước. Nó có tác dụng giảm xóc cho động cơ hoạt động với vận tốc chậm và tiếng ồn ở mức độ trung bình. Ngồi ra nó cịn hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi làm việc của động cơ. Một vài bộ điều khiển Microstepping có thể cho ta hàng trăm vị trí trung gian giữa các bước, nhưng có hạn chế là việc điều khiến các vị trí này khơng hồn tồn chính xác.
Có ít nhất 3 ngun nhân gây ra hạn chế này:
- Thực tế trong hệ thống ln có sự tồn tại của ma sát tĩnh ( Static friction) do đó góc chính xác đạt được trong điều khiển Microstepping bị giới hạn
- Vấn đề thứ hai liên quan hình dạng đường cong Momen xoắn theo góc trục thực tế của động cơ khơng hồn tồn có hình dạng hình sin. Đơi khi, ta coi đây là momen hãm của động cơ nam châm vĩnh cữu và động cơ hỗn hợp. Nhưng thực tế các thiết bị điều khiển Microstepping coi đường cong này có dạng hình sin – cosin.
- Vấn đề thứ ba xuất hiện do hầu hết thiết bị điều khiển Microstepping được điều khiển bằng tính hiệu xung và do đó dịng điện qua mỗi cuộn dây pha phải được số hóa, do bộ chuyển đổi tính hiệu liên tục sang tính hiệu rời rạc (A/D). Nhưng thực tế qua các cuộn dây pha khơng hồn tồn là hằng số mà nó ln dao động xung quanh một điểm giới hạn nào đó của mạch điều khiển.
7.4 Giới thiệu về vi điều khiển
Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụngngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hoá và điều khiển từ xa. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nghệ chế tạo vi mạch tích hợp thay đổi từng ngày từng giờ đáp ứng yêu cầu sản xuất cơng nghiệp về tính chun dụng hoá, tối ưu (thời gian, không gian, giá thành), bảo mật, tính chủ động trong cơng việc… .ngày càng địi hỏi khắt khe. Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng những yêu cầu trên là hoàn tồn cấp thiết mang tính thực tế cao.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 88 Trong đề tài này ta sử dụng vi điều khiển PIC 18F4331, vi điều khiển chuyên về điều khiển động cơ bước.
Sơ lược tính năng nổi bật của PIC18F4331:
- Nguồn dao động nội đến 8MHz, dao động thach anh lên tới 40MHzTiêu thụ nguồn thấp (nanoWatt)
- 5 Kênh vào ra (Port A, B, C, D, E)
- ADC 10 - bit tốc độ cao với 9 kênh vào (AN0 ~ AN8) - Giao tiếp nối tiếp RS232, RS485, I2C, SPI ,ICSP và ICD
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 89
7.5 Thiết kế các mạch điều khiển
Mạch điều khiển 18F4331
Hình 7.10 Mạch điều khiển 18F4331
Mạch giao tiếp PIC 18F4331 với RS232
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 90
Mạch điều khiển step Motor:
Hình 7.12 Mạch điều khiển step Motor
Mạch cơng suất chính:
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 91
7.6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Như vậy từ các kết quả phân tích động học ban đầu ta đưa ra được giải thuật điều khiển tay máy, từ đó xây dựng thiết kế và chế tạo mơ hình tay máy trong điều kiện thực tế. Ứng dụng các vi mạch điều khiển vào điều khiển cơ cấu tác động là động cơ bước để dẫn dộng tay máy.
Tuy nhiên do điều kiện thực tế còn hạn chế nên mơ hình chế tạo độ chính xác chưa cao, động cơ dẫn động của mơ hình là động cơ bước nên cơng suất chưa cao. Giải thuật điều khiển tay máy còn đơn giản chỉ điều khiển tay máy di chuyển tới một vị trí xác định.
Dựa trên những kết quả đạt được cũng như những mặt cịn hạn chế của đề tài, từ đó đưa ra các hướng phát triển cảu đề tài như sau:
Nâng cao độ chính xác, độ cứng vững của mơ hình thực tế, sử dụng động cơ có cơng suất lớn hơn.
Tiếp tục nâng cao tính linh hoạt của chương trình và khả năng xử lý vị trí các điểm di chuyển linh hoạt trong không gian hoạt động.
Đề ra giải thuật nội suy để điều khiển tay máy để có thể ứng dụng vào thực tế như: Điều khiển dụng cụ gia công chạy theo biên dạng nội suy để gia cơng chi tiết ví dụ như gia công cam.
[1] Tsai, L.-W., , Robot Analysis: the Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, John Wiley & Sons., 1999.
[2] Lại Khắc Liễm, Cơ Học Máy, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM, 2005.
[3] Lê Hoài Quốc – Chung Tấn Lâm, Nhập Môn Rôbôt Công Nghiệp, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2002.
[4] TS Nguyễn Hữu Lộc, Cơ Sở Thiết Kế Máy, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM,
2005.
[5] TS Nguyễn Hữu Lộc, Mơ Hình Hóa Hình Học, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM., 2005.
[6] TS Nguyễn Hữu Lộc, Bài Tập Mơ Hình Hóa Hình Học, NXB Đại học Quốc gia
TP. HCM, 2005.
[7] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink Dành Cho Kỹ Sư Điều Khiển Tự Động, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2006.
[8] Lê Trung Thực- Đặng Văn Nghìn, Hướng Dẫn Đồ Án Môn Học Công Nghệ Chế
Tạo Máy, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM, 2006.
[9] Ninh Đức Tốn, Dung Sai Và Lắp Ghép, NXB Giáo Dục ,2007. [10] Hồ Trung Mỹ, Vi Xử Lý, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM, 2006.