Thiết kế hệ VXL điều khiển động cơ bước (hai động cơ)

Bài tập dài Thiết kế hệ VXL 8 bit Đề bài: Thiết kế hệ VXL điều khiển động cơ bước (hai động cơ) I. Yêu cầu: Thiết kế hệ VXL : +) Điều khiển chuyển động +) Tạo thành một bộ điều khiển theo luật tỷ lệ (tích phân) II. Nội dung: Phân tích yêu cầu công nghệ(suy ra luật điều khiển) Thiết kế sơ đồ khối hệ VXL Chọn phần tử Viết chương trình Thử nghiệm Chương I: Giới thiệu động cơ bước I. Giới thiệu động cơ bước: Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt là động cơ bước. Động cơ bước 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 roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi có một xung điện áp đặt vào dây quấn stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc). Về cấu tạo có thể coi động cơ bước 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. Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính: Động cơ bước có roto được kích thích (có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu), động cơ bước có roto không kích thích (động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng), động cơ bước hỗn hợp (kết hợp cả hai loại trên). Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay dụng cụ số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu( hình 1). II. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước: Khác với động cơ đồng bộ không thường, roto của động cơ bước không có cuộn dât khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, roto của động cơ bước có thể được kích thích (roto kích thích) hoặc không được kích thích (roto thụ động). Hình sau vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với roto có hai cực (2p=2) và không được kích thích. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bắng xung một cực. Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực (hình 3a) hoặc xung hai cực (hình 3b). Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của roto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Ví dụ các cuộn dây của động cơ trên hình hai được cấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3...m, bởi xung một cực, thì roto của động cơ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 2). Trong thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó roto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vecto điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây stato (hình 2b và 2c). Trên hình 2b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn các cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Trên hình 2c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ các cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn. Trong cả hai trường hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cho một số lẻ cuộn dây), rôto của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vi trí liên tiếp của roto bằng . Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví dụ kết hợp giữa hình 2b và 2c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của roto sẽ tăng gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng . Trường hợp này được gọi là điều khiển không xứng; hay điều khiển nửa bước (Haft Step). Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b và 2c) thì roto có m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (Full Step). III. ứng dụng của động cơ bước: Động cơ bước ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác. Đặc biệt là các lĩnh vực: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và các máy in trong hệ thống máy tính, điều khiển robốt, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quang khác phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, lập trình điều khiển trong các hệ gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay... Chương II: thiết kế Hệ thống điều khiển động cơ bước I. Các yêu cầu về điều khiển động cơ bước: 1. Các chế độ điều khiển: Hình 2.1. Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước Hình 2.1 vẽ mối quan hệ giữa véc tơ lực điện từ F1,F2 của hai cuộn dây 1và 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và vecto lực điện từ tổng F. Trên hình 2.1: F1: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 1 được kích thích; F2: lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 2 được kích thích; F : lực điện từ tổng; : góc bước; : góc cần điều chỉnh (góc vi bước) Xét trong tam giác OAB ta có Từ công thức trên ta suy ra các trường hợp sau: a. Điều khiển cả bước: - Điều khiển cả bước: Đầu tiên cho F2= 0 và F1= F nên roto ở vị trí trục cuộn dây một. Sau đó cho F1= 0 và F2= F nên roto ở vị trí trục cuộn dây hai. b. Điều khiển nửa bước: - Nếu ta cho F2 =0 và F1 =F, roto ở vị trí trục cuộn dây1. - Tiếp theo là cho F1=F2=F, roto ở vị trí giữa góc . - Sau đó cho F1=0 và F2=F, roto ở vị trí trục cuộn dây 2. Trong trường hợp này roto sẽ chuyển động từng bước . c. Điều khiển vi bước: Nếu ta điều khiển sao cho lực F1 giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F2 tăng dần từng bước từ 0 đến F thì roto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến OB. 2. Các đặc trưng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bước: Đối với động cơ bước, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp nhau. Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển: Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U). Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bước). Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay). Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liên quan đến chiều quay và mômen tải). Tuỳ thuộc vào việc cấp xung, động cơ bước có bốn trạng thái sau đây: a. Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào được cấp điện: - Đối với động cơ phản kháng: roto sẽ quay trơn. - Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: có mômen hãm, roto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực của roto và stato là nhỏ nhất. b.Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều. Roto mang tải sẽ được giữ chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ. c.Trạng thái dịch chuyển bước: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ sang vị trí bước tiếp theo khi các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp. d.Trạng thái quay quá giới hạn: Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có tần số quá cao, động cơ sẽ quay vượt quá tốc độ. ở trạng thái này động cơ không đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm từ từ. Muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuông dưới tốc độ giới hạn để hoạt động trong chế độ bước. Như vậy động cơ bước chỉ được coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và c. 3. Điều khiển dòng điện I và điện áp U: Có rất nhiều cách để điều khiển dòng điện và điện áp như : điều khiển dòng áp bằng hệ số L/R, điều khiển dòng áp bằng độ rộng xung, điều khiển dòng áp bằng điện áp hai mức, điều khiển dòng áp bằng nguồn dòng. Trong phạm vi bài tập lớn này ta sử dụng phương pháp điều khiển dòng áp bằng nguồn dòng. Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng nguồn dòng Nguồn dòng là bộ phận nguồn luôn phát ra một suất ra một giá trị dòng điện không đổi Iconst . Điện áp ra của nó chính là điện áp Ut rơi trên tải R t : Ut = Iconst .Rt Khi ở chế độ giữ, Xđk = 1 làm cho bóng bán dẫn T mở liên tục, trong cuộn dây có dòng không đổi I, điện áp Ut = U = I.R Khi ở chế độ không kích hoạt (ngắt), Xđk = 0 bóng bán dẫn T ngắt mạch, trong cuộn dây khôngcó dòng điện chạy Ut = Umax. 4. Điều khiển tốc độ quay của động cơ: Động cơ bước có thể quay với bất kỳ tấc độ nào trong giải từ 0 vòng/phút đến giá trị cực đại cho phép. Vận tốc của động cơ bước hiểu là vận tốc trung bình. Vận tốc trung bình động cơ bước được tính: (vòng/giây) Việc thay đổi vận tốc động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f. Tần số dịch bước f trong trường hợp tổng quát không đồng nhất với các xung điều khiẻn, mà nó là tổ hợp của sự biến đổi các trạng thái của các xung điều khiển đó. Vì vậy việc điều khiển các xung điều khiển này thường được thực hiện bởi các bộ VXL. Gọi Tcb là thời gian giữa hai lần chuyển bước liên tiếp, ta có vận tốc tức thời Vt Vt= (vòng/giây) 5. Điều khiển chiều quay của động cơ bước: Chẳng hạn roto ở vị trí bước thứ n. Nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí thứ (n+1) thì động cơ quay phải và nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí thứ (n-1) thì động cơ quay trái. Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này. Đối với động cơ 4 pha, nếu cấp xung một cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điện vào các cuộn dây cho hai trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước. Ta có bảng trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha TT 1 2 3 4 5 6 7 8 Cuộn 1 1 1 0 0 0 0 0 1 Cuộn 2 0 1 1 1 0 0 0 0 Cuộn 3 0 0 0 1 1 1 0 0 Cuộn 4 0 0 0 0 0 1 1 1 Điều khiển cả bước chỉ có 4 trạng thái:1,3,5,7 hoặc 2,4,6,8 Giả sử ta điều khiển ở các trạng thái 1,3,5,7 TT 1 3 5 7 Cuộn 1 1 0 0 0 Cuộn 2 0 1 0 0 Cuộn 3 0 0 1 0 Cuộn 4 0 0 0 1 Nếu phát xung sao cho theo trình tự cấp điện cho cuộn dây từ 1,2,3,4 động cơ sẽ chạy thuận và ngược lại động cơ sẽ chạy ngược. Trong phạm vi bài tập lớn này ta sẽ thiết kế hệ thống điều khiển động cơ bước 4 pha sử dụng nguồn dòng với chế độ điều khiển cả bước. II. Sơ đồ mạch lực: Hình 2.3. Sơ đồ mạch lực bằng nguồn dòng cho động cơ 4 pha Mỗi pha được cấp bằng nguồn dòng riêng biệt, các bóng bán dẫn Q1, Q2, Q3, và Q4 làm nhiệm vụ chuyển mạch điện tử; điều khiển các bóng bán dẫn này là các xung X1, X2, X3, và X4 ; các điốt D1, D2, D3, và D4 làm nhiệm vụ xả năng lượng ngược lại nguồn, dập xung ngược khi các bóng bán dẫn ngắt mạch. III. Sơ đồ mạch điều khiển: Mạch điều khiển gồm các phần sau: - Khối nguồn - VXL - Vi mạch nhớ - Khối vào/ra (I/O) - Khối khuyếch đại 1. Khối nguồn : Hinh 2.5 Khối nguồn Khối nguồn gồm có một IC 7805 , một tụ C1 = 3,3 F mắc ở ngõ vào và một tụ C2 = 1 F mắc ở ngõ ra nhằm mục đích ổn định, điện áp vào 6V chưa ổn định sau khi qua khối nguồn thành nguồn 5V ổn định, bằng phẳng ( loại bỏ hết các đột biến dương ) ở ngõ ra để cung cấp cho mạch. 2. VXL : a. Chọn VXL: Từ yêu cầu dùng VXL ta dự kiến dùng các chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 của Intel, mà cụ thể ở đây là dùng chip 8051 là chip vi điều khiển. Đặc điểm của các chip vi điều khiển nói chung là nó được tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ VXL nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hướng điều khiển. Tức là trong nó bao gồm: mạch VXL, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắt, giảm nhỏ dòng tiêu thụ, tăng tốc độ làm việc hay tần số xung nhịp của CPU, giảm điệp áp nguồn nuôi, có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn, nó được hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chương trình phần mềm điều khiển và hiện được sử dụng phổ biến và được coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng. Mặt khác, qua việc khảo sát thị trường linh kiện việc có được chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế. b. Giới thiệu VXL 8051: Hình 2.6. Sơ đồ khối của chip 8051 Hình 2.7. Sơ đồ chân của 8051 3. Vi mạch nhớ: Từ cấu trúc của vi điều khiển 8051 và yêu cầu thiết kế ta tiến hành phân chia các vùng nhớ như sau: Bộ nhớ chương trình 8K ROM chia làm hai vùng: ROM trong (On-chip) có địa chỉ vật lý: 0000H á 0FFFH. ROM ngoài (2732) có địa chỉ vật lý: 1000H á 1FFFH. Bộ nhớ dữ liệu được mở rộng thêm 32K RAM ngoài gồm 4 thanh RAM 8K có địa chỉ vật lý: 2000H á 9FFFH. 4.Khối vào ra (I/O) : Mạch ghép nối vào/ ra sử dụng IC 8255 với địa chỉ của từng cấu hình như sau: Địa chỉ cổng PA: A000H Địa chỉ cổng PB: A001H Địa chỉ cổng PC: A002H Địa chỉ của từ điều khiển PSW: A003H 5.Khối khuếch đại: Ta sử dụng transistor ghép quang 4N33 để khuếch đại dòng (công suất). Tín hiệu từ các port I/O được đưa đến các chân của các khối khuếch đại như hình vẽ. Tín hiệu ra là các xung X1, X2, X3, và X4 được đưa vào các chân bazơ của các bóng bán dẫn Q1, Q2, Q3, và Q4 làm nhiệm vụ chuyển mạch điện tử Hình 2.8 Khối khuếch đại IV. Chọn phần tử và tính toán: Giả sử chọn loại động cơ bước có: +) =1.80 +) Vmax=15 vòng/giây (900vòng/phút) +) Động cơ 4 pha Do đó ta có Tcb >= 0.33 ms Cũng có nghĩa là tần số chuyển bước f<3 kHz. Trong bài toán này ta điều chỉnh động cơ bước chạy tiến và lùi với vận tốc trung bình là Vt=5(vòng/giây) f=1kHz T=1ms. Chương III: Chương trình cho VXl Từ các phân tích trên ta có chương trình điều khiển hai động cơ bước sau: INCLUDE 8051.MC ORG 0 BATDAU:LJMP LOOP ORG 001BH LJMP T1ISR ORG 0030H LJMP RUN ORG 00CDH LOOP: MOV TMOD,#12H; BO DINH THOI 1; CHE DO 1 SETB TF1; BUOC NGAT DO BO DINH THOI 1 MOV IE,8AH;CHO PHEP NGAT DO CAC BO DINH THOI T1ISR: CLR TR1 MOV TH1,#25; THOI GIAN MUC CAO LA 0,25MS MOV TL1,#75; THOI GIAN MUC THAP la 0.75MS SETB TR1 RUN: MOV R3,#1 PUSH A PUSH 2 PUSH DPL PUSH DPH PUSH PSW MOV R2,B CJNE R3,#0,TIEN CJNE R2,#0,LUI MOV R2,#3 MOV B,R2 MOV A,R2 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR SJMP ENDRUN SJMP LOOP LUI: DEC R2 MOV B,R2 MOV A,R2 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR SJMP ENDRUN TIEN: CJNE R2,#3,CONTTROL MOV R2,#0 MOV B,R2 MOV A,R2 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR SJMP ENDRUN CONTTROL: INC R2 MOV B,R2 MOV A,R2 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,@A+DPTR ENDRUN: MOV P0,A POP PSW POP DPH POP DPL POP 2 POP A LJMP BATDAU TABLE: DB 10001000B DB 01000100B DB 00100010B DB 00010001B Mục lục ChươngI : Giới thiệu động cơ bước 2 I.Giới thiệu động cơ bước 2 II.Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 3 III.ứng dụng động cơ bước 4 ChươngII Thiết kế điều khiển ĐCB 5 I. Các yêu cầu về điều khiển ĐCB 5 II. Sơ đồ mạch lực 8 III. Sơ đồ mạch điều khiển 9 IV. Chọn phần tử và tính toán 11 ChươngIII Chương trình cho VXL 13 Mục lục 15 Tài liệu tham khảo 16 Tài liệu tham khảo Họ vi điều khiển 8051 Nhà xuất bản lao động xã hội Động cơ bước kỹ thuật điều khiển và ứng dụng Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Điện tử công suất Nguyễn Bính