Đang tải... (xem toàn văn)
tài liệu tham khảo 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 bớc (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: 1. Phân tích yêu cầu công nghệ(suy ra luật điều khiển) 2. Thiết kế sơ đồ khối hệ VXL 3. Chọn phần tử 4. Viết chơng trình 5. Thử nghiệm 1 Chơng I: Giới thiệu động cơ bớc I. Giới thiệu động cơ bớc: Các hệ truyền động rời rạc thờng đợc thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt là động cơ bớc. Động cơ bớc thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dới 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 bớc làm việc đợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay t- ơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nh 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 bớc thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bớc quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (nhng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bớc rời rạc). Về cấu tạo có thể coi động cơ bớc 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 bớc có ba loại chính: Động cơ bớc có roto đợc kích thích (có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu), động cơ bớc có roto không kích thích (động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng), động cơ b- ớc hỗn hợp (kết hợp cả hai loại trên). Theo một phơng diện khác, có thể coi động cơ bớc là linh kiện (hay dụng cụ số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ đợc chuyển thành chuyển động quay theo từng bớc. Động cơ bớc sẽ thực thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu( hình 1). Số xung bằng số buớc (3xung -3 buớc) F Một xung bằng một buớc Hình 1. Mô hình số hoá động cơ buớc 2 II. Nguyên lý hoạt động của động cơ bớc: Khác với động cơ đồng bộ không thờng, roto của động cơ bớc không có cuộn dât khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó đợc khởi động bằng phơng pháp tần số, roto của động cơ bớc có thể đợc kích thích (roto kích thích) hoặc không đợc kích thích (roto thụ động). Hình sau vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bớc m pha với roto có hai cực (2p=2) và không đợc kích thích. 3 a) 4 1 m 2 F 1 3 b) c) 4 4 3 F 2 1 1 F m 2 m 2 F 1 F 1 2 F F Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bớc 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). 0 u t t 0 u a) b) X 1 Hình 1.3. Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato: a) xung một cực ; b) xung hai cực 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 phơng pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Ví dụ các cuộn dây của động cơ trên hình hai đợc 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 cờng lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, ngời ta thờng cấp điện cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc 3 đó roto của động cơ bớc 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 nhng có trị số lớn hơn. Trong cả hai trờng hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cho một số lẻ cuộn dây), rôto của động cơ bớc sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vi trí liên tiếp của roto bằng m/2 . 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 lợng cuộn dây đợc 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 bớc sẽ giảm đi một nửa bằng m2/2 . Trờng hợp này đợc gọi là điều khiển không xứng; hay điều khiển nửa bớc (Haft Step). Nếu số lợng cuộn dây đợc 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 đợc gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bớc (Full Step). III. ứng dụng của động cơ bớc: Động cơ bớc ngày càng đợc 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 phơng và chiều trong máy bay . 4 Chơng II: thiết kế Hệ thống điều khiển động cơ bớc I. Các yêu cầu về điều khiển động cơ bớc: 1. Các chế độ điều khiển: Hình 2.1. Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bớc Hình 2.1 vẽ mối quan hệ giữa véc tơ lực điện từ F 1 ,F 2 của hai cuộn dây 1và 2 khi đợc cấp dòng điện đơn cực và vecto lực điện từ tổng F. Trên hình 2.1: F 1 : lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 1 đợc kích thích; F 2 : lực điện từ tác động lên roto khi cuộn dây 2 đợc kích thích; F : lực điện từ tổng; : góc bớc; : góc cần điều chỉnh (góc vi bớc) Xét trong tam giác OAB ta có cos2 cos cos 21 2 2 2 1 21 FFFF FF ++ + = Từ công thức trên ta suy ra các trờng hợp sau: a. Điều khiển cả bớc: - Điều khiển cả bớc: Đầu tiên cho F 2 = 0 và F 1 = F nên roto ở vị trí trục cuộn dây một. Sau đó cho F 1 = 0 và F 2 = F nên roto ở vị trí trục cuộn dây hai. b. Điều khiển nửa bớc: - Nếu ta cho F 2 =0 và F 1 =F, roto ở vị trí trục cuộn dây1. - Tiếp theo là cho F 1 =F 2 =F, ( ) 22 cos cos12 cos1 cos == + + = roto ở vị trí giữa góc . - Sau đó cho F 1 =0 và F 2 =F, roto ở vị trí trục cuộn dây 2. Trong trờng hợp này roto sẽ chuyển động từng bớc ),2/,0.(2/ == . c. Điều khiển vi bớc: Nếu ta điều khiển sao cho lực F 1 giảm dần theo từng bớc từ F đến 0 và lực F 2 tăng dần từng bớc từ 0 đến F thì roto sẽ quay từng bớc từ vị trí OA đến OB. 2. Các đặc trng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bớc: Đối với động cơ bớc, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp nhau. Việc điều khiển động cơ bớc 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 bớc). 5 - Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay). - Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lợng cuộn dây pha đợc cấp (liên quan đến chiều quay và mômen tải). Tuỳ thuộc vào việc cấp xung, động cơ bớc có bốn trạng thái sau đây: a. Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào đợc 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 hớng dừng ở các vị trí mà đờng khép từ thông giữa các cực của roto và stato là nhỏ nhất. b.Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha đợc cấp điện một chiều. Roto mang tải sẽ đợc giữ chặt ở vị trí góc bớc nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ. c.Trạng thái dịch chuyển bớc: roto sẽ dịch chuyển từ vị trí bớc đang đợc giữ sang vị trí bớc tiếp theo khi các cuộn dây pha đợc 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 vợt quá tốc độ. ở trạng thái này động cơ không đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhng vẫn có thể tăng và giảm từ từ. Muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuông dới tốc độ giới hạn để hoạt động trong chế độ bớc. Nh vậy động cơ bớc chỉ đợc 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 nh : 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 phơng pháp điều khiển dòng áp bằng nguồn dòng. X 1 đk X T Cuộn dây pha I const 1 D 2 U t 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 I const . Điện áp ra của nó chính là điện áp U t rơi trên tải R t : U t = I const .R t 6 Khi ở chế độ giữ, X đk = 1 làm cho bóng bán dẫn T mở liên tục, trong cuộn dây có dòng không đổi I, điện áp U t = U = I.R Khi ở chế độ không kích hoạt (ngắt), X đk = 0 bóng bán dẫn T ngắt mạch, trong cuộn dây khôngcó dòng điện chạy U t = U max . 4. Điều khiển tốc độ quay của động cơ: Động cơ bớc 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 bớc hiểu là vận tốc trung bình. Vận tốc trung bình động cơ bớc đợc tính: 360360 . f t n V == (vòng/giây) Việc thay đổi vận tốc động cơ bớc đợc thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bớc f. Tần số dịch bớc f trong trờng 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 thờng đợc thực hiện bởi các bộ VXL. Gọi T cb là thời gian giữa hai lần chuyển bớc liên tiếp, ta có vận tốc tức thời V t V t = cb T.360 (vòng/giây) 5. Điều khiển chiều quay của động cơ bớc: Chẳng hạn roto ở vị trí bớc 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 trờng hợp điều khiển cả bớc và nửa bớc. 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 bớc 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 7 Nếu phát xung sao cho theo trình tự cấp điện cho cuộn dây từ 1,2,3,4 động cơ sẽ chạy thuận và ngợc lại động cơ sẽ chạy ngợc. Trong phạm vi bài tập lớn này ta sẽ thiết kế hệ thống điều khiển động cơ b- ớc 4 pha sử dụng nguồn dòng với chế độ điều khiển cả bớc. II. Sơ đồ mạch lực: I1 I2 I3 I4 NPN X 1 1 Q X 2 NPN 2 Q X 3 NPN 3 X 4 Q RES1 RS 1 D 1 1 2 2 D 2 D 3 1 2 RS RES1 RS RES1 NPN 4 Q D 4 1 2 RS RES1 Hình 2.3. Sơ đồ mạch lực bằng nguồn dòng cho động cơ 4 pha Mỗi pha đợc cấp bằng nguồn dòng riêng biệt, các bóng bán dẫn Q 1 , Q 2 , Q 3 , và Q 4 làm nhiệm vụ chuyển mạch điện tử; điều khiển các bóng bán dẫn này là các xung X 1 , X 2 , X 3 , và X 4 ; các điốt D 1 , D 2 , D 3 , và D 4 làm nhiệm vụ xả năng l- ợng ngợc lại nguồn, dập xung ngợc khi các bóng bán dẫn ngắt mạch. t X 1 t X 2 t X 3 t X 4 Hình 2.4. Giản đồ xung điều khiển cả buớc động cơ 4 pha (cho các trạng thái 1, 3, 5, 7). III. Sơ đồ mạch điều khiển: Mạch điều khiển gồm các phần sau: - Khối nguồn - VXL 8 - Vi mạch nhớ - Khối vào/ra (I/O) - Khối khuyếch đại 1. Khối nguồn : 7805 1 C 2 C +6V +5V 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 cha ổn định sau khi qua khối nguồn thành nguồn 5V ổn định, bằng phẳng ( loại bỏ hết các đột biến dơng ) 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 đợc tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ VXL nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hớng điều khiển. Tức là trong nó bao gồm: mạch VXL, bộ nhớ chơng 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 đợc hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chơng trình phần mềm điều khiển và hiện đợc sử dụng phổ biến và đợc coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng. Mặt khác, qua việc khảo sát thị trờng linh kiện việc có đợc chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế. b. Giới thiệu VXL 8051: 9 PSEN ALE RST EA Oscillatior Bus control CPU Interrupt control Other registers *Alternate pin assignments for P1 and P3 Address/data P3P1P2P0 RXDTXD * * I/O ports Serial port 128 bytes RAM Timer 1 Timer 0 T1 * T0 * Serial port Timer 1 Timer 0 INT1 * INT0 * 4K ROM H×nh 2.6. S¬ ®å khèi cña chip 8051 17 INT1 P3.3 13 12 11 10 TXD RXD INT0 P3.1 P3.0 P3.2 16 15 14 WR T1 T0 RD P3.6 P3.4 P3.5 P3.7 EA 9 RST 30 31 ALE 29 PSEN AD3 36 P0.3 28 A11 24 P2.3 A10 A9 A8 22 P2.1 P2.0 21 P2.2 23 A15 A14 A13 A12 26 P2.6 P2.4 P2.5 25 P2.7 27 7 P1.6 2 P1.2 P1.0 P1.1 1 4 P1.4 P1.3 2 P1.5 6 5 P1.7 8 AD2 AD1 AD0 38 P0.1 P0.0 39 P0.2 37 AD7 AD6 AD5 AD4 34 P0.6 P0.5 P0.4 35 P0.7 32 33 P0.3 36 AD3 RD WR INT0 RXD TXD INT1 T1 T0 28 13 P3.3 P3.1 11 10 P3.0 12 P3.2 P3.6 16 14 15 P3.5 P3.4 17 P3.7 P2.3 24 A11 P2.1 22 A9 21 P2.0 A8 23 P2.2 A10 P2.6 26 A14 25 P2.4 P2.5 A12 A13 27 P2.7 A15 AD0 AD1 AD2 P1.6 7 31 EA RST 9 30 ALE P1.2 2 P1.0 1 P1.1 P1.4 4 2 P1.3 6 P1.5 5 29 PSEN 8 P1.7 P0.1 38 39 P0.0 37 P0.2 AD4 AD5 AD6 AD7 P0.6 34 35 P0.4 P0.5 33 32 P0.7 8051 40 VCC XTAL1 XTAL2 18 19 30pF 12MHz 30pF VSS 20 RXDTXD * * Serial port Timer 1 Timer 0 T1 * T0 * H×nh 2.7. S¬ ®å ch©n cña 8051 10 [...]... 00100010B DB 00010001B 14 Mục lục ChơngI : Giới thiệu động cơ bớc -2 I.Giới thiệu động cơ bớc -2 II.Nguyên lý hoạt động của động cơ bớc 3 III.ứng dụng động cơ bớc -4 ChơngII Thiết kế điều khiển ĐCB 5 I Các yêu cầu về điều khiển ĐCB 5 II Sơ đồ mạch lực... sử chọn loại động cơ bớc có: +) =1.80 +) Vmax=15 vòng/giây (900vòng/phút) 11 +) Động cơ 4 pha Do đó ta có Tcb > 360.V max = 0.33 ms Cũng có nghĩa là tần số chuyển bớc f