Đề tài: THIẾT KẾ MODULE CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Chia sẻ: NguyễnThanh Hiếu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

437
lượt xem 189
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thông thường động cơ bước được điều khiển bằng vi điều khiển và IC số nhưng mạch điều khiển thường cồng kềnh,khó điều khiển.Với nhu cầu ngày càng tối ưu hóa mạch điều khiển thì với viêc sử dụng IC chuyên dụng để điều khiển đạt hiệu quả cao cho mục đích này. Việc sử dụng IC thường ta phải có thêm mạch cầu H nếu muốn đổi chiều động cơ,nhưng với IC chuyên dụng L298 có tích hợp 2 cầu H nên việc đổi chiều động cơ sẽ dễ dàng hơn rất nhiều. Trong phạm vi nội dung đồ án này,tôi sẽ tiến hành ghép...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: THIẾT KẾ MODULE CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THIẾT KẾ MODULE CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC GVHD: ThS. Lê Tấn Cường SVTH : Nguyễn Văn Dũng MSSV : 05111013
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2010 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Dũng MSSV: 05111013 Cơ Điện Tử Ngành : Mã ngành: 11 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Lớp: 051112 Khóa: 2005 Tên đề tài: I. Thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước II. Nhiệm vụ cụ thể: - Tìm hiểu động cơ bước. - Tìm hiểu 2 IC chuyên dụng L297 và L298. - Thiết kế module điều khiển động cơ bước. III. Ngày giao đồ án: Ngày … tháng… năm 2009 IV. Ngày hoàn thành đồ án: Ngày… tháng… năm 2010 V.Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Tấn Cường Ngày… tháng… năm 2009 Giảng viên hướng dẫn Chủ nhiệm bộ môn (Ký tên) (Ký tên) Ths.LÊ TẤN CƯỜNG Ths. NGUYỄN THẾ HÙNG 3
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ TP.HCM, Ngày… tháng… năm 2010 Giáo viên hướng dẫn 4
Ths. LÊ TẤN CƯỜNG TÓM TẮT TIỂU LUẬN Như đã biết động cơ bước được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như : điều khiển băng chuyền,sử dụng trong máy in,trong robot,trongm áy CNC… với xu hướng mạch điều khiển phải nhỏ gọn,dễ điều khiển hơn so với việc sử dụng IC số.Với 2 IC chuyên dụng L297 và L298 ta có thể giải quyết được vấn đề này. Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện tôi xin tóm tắt những vấn đ ề làm đ ược qua nh ững chương sau: - Chương 1: Động cơ bước - Chương 2: IC L297 và L298 - Chương 3: Module điều khiển. 5
MỤC LỤC Nhiệm vụ của đồ án................................................................................................................... Nhận xét của giáo viên hướng dẫn........................................................................................... Tóm tắt đồ án.............................................................................................................................. Mục lục........................................................................................................................................ PHẦN 1: DẪN NHẬP 1.1. Đặt vấn đề........................................................................................................................... 1.2. Đối tượng nghiên cứu............................................................................................................... 1.3. Mục đích nghiên cứu.................................................................................................................. 1.4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................... 1.5. Phương tiện nghiên cứu............................................................................................................ 1.6. Giới hạn đề tài........................................................................................................................... PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1 Khái niệm về động cơ bước……………….…………………………………………… 1.2 Phân loại động cơ bước....................................................................................................... Động cơ bước từ trở biến 1.2.1 thiên………………………………………………………. Động cơ bước nam châm vĩnh 1.2.2 cửu…………………………………………………... Động cơ bước 1.2.3 lai……………………………………………………………………... 1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực……………………………………………………………... CHƯƠNG 2: IC L297 và L298 2.1. IC L297................................................................................................................................. 2.2.1.Giới thiệu 2.2.2 Sơ đồ chân và sơ đồ khối................................................................................................ 2.3.3 Chức năng các chân........................................................................................................... 2.2.4 Hoạt động.......................................................................................................................... 2.2.5 Chuỗi xung Phase của L297............................................................................................. 6
2.1.5.1 Chế độ nửa bước………………………………………………………………….. 2.1.5.2 Chế độ bình thuờ ng……………………………………………………………… 2.1.5.3 Chế độ “sóng”-wave drive mode…………………………………………….. …... 2.1.6 Đặc tính điện…………………………………………………………….................. 2.1.7 Giản đồ xung clock…………………………………………………………………. 2.2. IC L298 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Sơ đồ khối 2.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa 2.2.4 Sơ đồ chân 2.2.5 Thông số về nhiệt độ 2.2.6 Chức năng các chân 2.2.7 Thông tin ứng dụng 2.2.8 Đặc tính điện CHƯƠNG 3: MODULE ĐIỀU KHIỂN 3.1. Ghép L297 với L298............................................................................................................ 3.2. Module hoàn chỉnh............................................................................................................... Tài liệu tham khảo 7
PHẦN 1: DẪN NHẬP Đặt vấn đề: I.1. Thông thường động cơ bước được điều khiển bằng vi điều khiển và IC số nhưng mạch điều khiển thường cồng kềnh,khó điều khiển.Với nhu cầu ngày càng tối ưu hóa mạch đi ều khiển thì với viêc sử dụng IC chuyên dụng để điều khiển đạt hiệu quả cao cho mục đích này. Việc sử dụng IC thường ta phải có thêm mạch cầu H nếu muốn đổi chiều động cơ,nhưng với IC chuyên dụng L298 có tích hợp 2 cầu H nên việc đổi chiều động cơ sẽ dễ dàng hơn rất nhiều. Trong phạm vi nội dung đồ án này,tôi sẽ tiến hành ghép nối 2 IC L297 và L298 đ ể thi ết k ế module công suất điều khiển động cơ bước. 1.2. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đồ án : Động cơ bước , 2 IC L297,L298 và cách ghép nối giũa chúng để thiết kế module điều khiển. 1.3. Mục đích nghiên cứu: Đồ án được nghiên cứu nhằm thiết kế module công suất điều khiển động cơ bước. 1.4. Phương pháp nghiên cứu: Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm: - Tham khảo tài liệu: tài liệu tham khảo được thu thập chủ yếu qua Internet. - Tự nghiên cứu: từ nguồn tài liệu thu thập được, quá trình thực hiện đ ồ án bắt buộc ph ải trải qua việc nghiên cứu nguồn tài liệu, chắt lọc những thông tin có giá tr ị, đồng thời t ự suy nghĩ tìm ra cách giải quyết vấn đề. - Thực tế làm việc: Từng bước thực hiện giải quyết vấn đề đã đặt ra.Trong quá trình thực hiện nảy sinh những vấn đề khó khăn mà người nghiên cứu phải trực tiếp giải quyết mới có thể tìm ra cách giải quyết đúng đắn. 1.5. Phương tiện nghiên cứu: Các phương tiện phục vụ cho quá trình nghiên cứu bao gồm: file hướng dẫn, sách tham khảo, tài liệu thu thập từ Internet,… 8
1.6. Giới hạn của đề tài: Do còn hạn chế về kiến thức và khả năng nghiên cứu của người nghiên cứu nên đồ án vẫn còn các hạn chế. PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ BƯỚC Khái niệm về động cơ bước 1.1. Động cơ bước là một thiết bị cơ điện chuyển đổi các xung điện thành những chuyển động cơ học rời rạc. Trục của động cơ bước quay những bước tăng rời rạc khi các xung điện điều khiển được áp đến nó theo một trình tự hợp lí. Sự quay của các động cơ liên hệ trực tiếp với các xung được áp vào. Trình tự của các xung áp vào quan hệ tr ực tiếp với hướng quay của trục động cơ. Tốc độ quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dài vòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung được áp vào. Động cơ bước Dây ra từ động cơ 9
Hình1.1: Một số mẫu động cơ bước trong thực tế. Ứng dụng đầu tiên của động cơ bước là vào năm 1935. Các mô hình động cơ bước trước đây có hiệu suất kém và không hiệu quả lắm. Các động cơ bước ngày nay đã được cải tiến rất nhiều và có thể được tìm thấy trong các thiết bị ngoại vi máy tính, các robot, các máy ghi biểu đồ, các máy vẽ x-y, các máy bơm, các đồng hồ, các bàn vẽ, các van, các máy công cụ, các thiết bị y khoa, các thiết bị ôtô, các máy bán hàng nhỏ, và các máy quét… Hình : Cơ chế lái tờ giấy sử dụng động cơ bước được ứng dụng trong máy in. Phân loại động cơ bước 1.2. Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator. Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại: - Động cơ bước từ trở biến thiên. - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu - Động cơ bước lai. Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại: - Động cơ bước đơn cực. - Động cơ bước lưỡng cực. 10
Hình : Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước. Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo. Trong ph ương pháp thứ nhất, Hình 1.3a, rotor có các răng bình thường. Stator có các răng tương t ự đ ể giữ các cuộn dây. Trong phương pháp thứ hai, Hình 1.3b, mặt răng của rotor và stator có nhiều răng nhỏ hơn. Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn. 1.2.1 Động cơ bước từ trở biến thiên Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các răng trên rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator. Hoạt động này tương tự như hoạt động của cuộn solenoid. Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ dư khi động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự do. Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5o hoặc 15o. Hình : Động cơ bước từ trở. 1.2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trì khi động cơ không còn được cấp điện. Mỗi răng nam châm vĩnh cửu đ ược đ ịnh hướng theo trục với các cực nam và bắc thay đổi. 11
Hình : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện tr ường điện từ và cung cấp mô men cao hơn. Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm, nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt). Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suất vận hành nhỏ hơn các loại khác. Chúng cũng có đặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn. Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8o; 7,5o, 30o; 45o; và 90o. 1.2.3 Động cơ bước lai Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên và động cơ nam châm vĩnh cửu. Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh trục động cơ. Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam. Răng rotor được cắt thành hai chén lõi thép được gắn chặt trên mỗi đầu. Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai. Các động cơ bước lai có nhiều răng hơn và có mô men l ớn hơn. Các góc b ước tiêu biểu là 0,9o và 1,8o. Hình : Động cơ bước lai 12
Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8o. Độ chính xác của hầu hết các động cơ bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác đ ược cải thiện nhờ vào các góc bước nhỏ hơn. Bảng 1.1: Các góc bước tiêu biểu của các loại động cơ bước Loại động cơ bước Góc bước tiêu biểu Từ trở biến thiên 7,5o; 15o Nam châm vĩnh cửu 1,8o; 7,5o; 15o; 30o; 45o; 90o 0,9o; 1,8o Lai 1.2.4 Động cơ bước lưỡng cực Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất. Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây, cực tính điện từ cũng bị đảo. a) Sơ đồ quấn dây lưỡng cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. 1.2.4 Động cơ bước đơn cực Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra. 13
Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, t ừ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây kiểu lưỡng cực. a) Sơ đồ quấn dây đơn cực. b) Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý. Một số động cơ bước được quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8 dây. Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay đơn cực cho động cơ này. Chúng được gọi là các động cơ bước đa năng. Hình : Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý. 14
CHƯƠNG 2: IC L297 và L298 2.1. IC L297 2.1.1.Giới thiệu L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực. Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ. Với IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic cho chiều quay, chế độ. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước đây được tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn. IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và thường dùng kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E. Một mạch ứng dụng điển hình: 15
16
2.1.2 Sơ đồ chân và sơ đồ khối: 2.1.3 Chức năng các chân: Chức năng Chân Tên Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp (on-chip). 1 SYNC Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhi ề u L297). Sử dụng chân này như sau: + Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nối các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn ở một IC L297 bất kì. 17
+ Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock ngoài 18
Cách nối đồng bộ các L297 Chân nguồn 0V 2 GND Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi 3 HOME tạ o (ABCD=0101) Khi chân này xuất tín hiệu “tích cực” thì các transistor đang trạng thái hở. (open) Tín hiệu phase A của mô-tơ 4 A Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo 5 INH1 vệ dòng xả ngược cuộn dây. Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổn định dòng tải động cơ. Tín hiệu phase B của mô-tơ 6 B Tín hiệu phase C của mô-tơ 7 C Chức năng giống chân INH2. Điều khiển phase C, D. 8 INH2 Tín hiệu phase D của mô-tơ 9 D Chân cho phép hoạt động (enable). Khi chân này ở mức thấp, 10 ENABLE chân ngõ ra phase A, B, C, D, INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp. Chân điều khiển hoạt động CHOPPER. 11 CONTROL Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chân INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thông qua các phase A,B,C,D. Chân nguồn 5V 12 VS Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dòng tải ở tần 13 SEN2 công suất của phase C, D Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B 14 SEN1 Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào 15 VREF chân này để thay đổi dòng tải đỉnh. Chân ngõ vào mạch dao động RC để qui định tần số chopper. 16 O SC 19
Khi dùng chức năng đồng bộ thì chân này nối với 0V (ngoại trừ chip tạo dao động cho hệ đồng bộ L297). T ần số: + f=1/0.69RC Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ 17 CW/CCW thuộc vào cách đấu dây cho động cơ. 20
Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp. 18 CLOCK Moto “bước” khi có cạnh xuống ở chân này. HALF/FULL Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước 19 Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về 20 RESET vị trí HOME (tầng 1, ABCD=0101) 2.1.4 Hoạt động: IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng. Các tín hiệu vào là: xung clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất. Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL. Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửa bước (luân phiên cấp điện một phase- hai phase). Hai ngõ ra “cấm”-inhibit, thường được kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộn dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lên phase điều khiển. Chân “CONTROL” để điều chỉnh giữa 2 chế độ chopper (chọn lựa chế độ tín hiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên các phase, phase không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì ngắt các phase rồi lại đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật này giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải. Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để set 2 flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động tiếp theo. Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF . Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạt động đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và nối chân OSC ở các L297 còn lại với MASS) 2.1.5 Chuỗi xung Phase của L297: Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độ hoạt động của động cơ. Lưu ý, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là high-low-high. (tích cực bằng cạnh lên) Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo chân RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD =0101. 2.1.5.1 Chế độ nửa bước: Để chọn chế độ này, chân HALF/FULL phải ở mức cao.