Đề tài Điều khiển động cơ bước (rôbốt tự hành)

Chương 1: NHIỆM VỤ VÀ PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ Nhiệm vụ được giao: Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước. Phân tích nhiệm vụ được giao: Tham khảo các tài liệu về vi điều khiển AVR của thầy Trần Văn Hùng, Ngô Diên Tập, Datasheet của nhà sản xuất, các trang web liên quan trên internet. Hệ thống gồm: + Phần cứng có khối vi điều khiển, khối công suất, khối chuyển động. + Phần mềm là chương trình điều khiển. Thiết bị thực hiện là: + Hai động cơ bước công suất nhỏ. + Một Vi điều khiển Atmelga32 họ AVR. + 8 tranzito TIP122. + Thiết bị ngoài gồm acquy… + Các linh kiện điện tử khác. - Chương trình điều khiển gồm phần điều khiển động cơ bước viết bằng ngôn ngữ lập trình C viết trên phần mềm chuyên dụng CodeVisionAVR. Chương 2: THIẾT KẾ TỔNG QUÁT PHẦN CỨNG 2.1. Tổng quan về đề tài : Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng 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 rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết. Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi 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. Hoạt động : Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Ứng dụng :Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay...Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in... 2.2. Sơ đồ khối: Hệ thống hoạt động theo chương trình đã nạp trên ROM, qua sự điều khiển của MCU Melga32. Dựa vào chương trình đã nạp trong VĐK mà MCU cho động cơ hoạt động: điều khiển đường đi của rôbôt theo chương trình định sẵn. 2.3. Sơ lược chức năng của từng khối: 2.3.1. Vi điều khiển melga32 là phần tử thu nhập xử lý thông tin và đưa ra các tín hiệu điều khiển. 2.3.2. Khối công suất là dùng để kích các cuộn dây của động cơ bước. 2.3.3. Khối chuyển động là động cơ bước. 2.4. Thiết kế chi tiết: 2.4.1. Khối chuyển động (động cơ bước): Động cơ bước được dùng là động cơ bước đơn cực. -Hình ảnh:
Cấu tạo động cơ bước : + Loại biến từ trở :
+ Động cơ bước đơn cực :
Động cơ bước đơn cực quấn theo sơ đồ trên, một đầu nối trung tâm trên các cuộn dây, khi hoạt động nó được nối lên đầu dương của nguồn cấp, hai đầu còn lại của mỗi mẩu được nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stato, mấu 2 nằm ở 2 cực bên phải và bên trái động cơ. Động cơ bước được dùng là động cơ nam châm vĩnh cửu. Có nhiều cách để điều khiển động cơ bước : Điều khiển 1 bước, điều khiển nửa bước và điều khiển vi bước. Loại động cơ đang dùng là động cơ 1.8 độ/1 bước. Điều khiển một bước : Khi cấp điện cho từng pha thì motor sẽ dịch chuyển theo từng bước và dừng tại vị trí A hoặc B.
Kích một cuộn dây :
Kích hai cuộn dây.
Điều khiển nửa bước : Nếu cấp điện đồng thời 2 pha bằng nhau thì motor sẽ dịch chuyển nửa bước và dừng tại vị trí lưng chừng giữa trung điểm 2 cực AB.

Điều khiển vi bước : Cùng là chế độ nửa bước nhưng cấp nguồn cho 2 pha không bằng nhau motor sẽ dịch chuyển ít hơn nửa bước và cũng dừng lại ở giữa 2 cực AB nhưng nghiêng về bên A hay B 1 chút tùy theo điện áp cấp cho pha nào cao hơn,đây là chế độ vi bước.Ví dụ :cực A =10v,B=0v-->A=7.5v;B=2.5v-->A=5v;B=5v-->A=2.5v;B=7.5v-->A=0v;B=10v <==== đây là chế độ mỗi xung dịch chuyển được 1/4 bước được gọi chung là vi bước , ta có thể làm nhuyễn các cấp điện áp hơn nữa thì sẽ được chế độ 1/8,1/16....1/n. 2.4.2. Khối MCU: Khối nguồn cho VĐK: Nguồn nuôi của vi điều khiển là nguồn DC 5V, sau khi qua acquy 12V, điện áp được đưa qua diode rồi qua IC ổn áp 7805,điện áp ra còn 5V và được đưa vào vi điều khiển. Để cho điện áp trở nên tương đối ổn định,ta dùng các tụ lọc. - Mạch nguyên lý của Atmelga32: Atmega 32 là vi điều khiển họ AVR, có 40 chân, trong đó có 4 PORT:A, B, C, D. Mỗi PORT có 8 chân, có thể khai báo là đầu vào hoặc đầu ra tùy người sử dụng. Các chân còn lại là chân nguồn, đất, reset(như hình), và có chân gắn thạch anh để tạo tần số dao động cho nó. PORTC chỉ là các chân vào ra bình thường. PORTA là kênh vào ADC, dùng để đọc tín hiệu điện áp, biến từ tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. PORTB là nơi để kết nối LCD hiển thị ra bên ngoài. PORTD có 3 kênh PWM (2,3,4), 2 chân(Mas_RXD, Mas_TXD)kết nối giao tiếp với máy tính qua RS232. + PORTC để kích tranzito điều khiển cuộn dây của động cơ. + PORTA điều khiển led hoạt động khi test. Để biết rõ hơn về vi điều khiển melga32 ta tìm hiểu thêm trong Datasheet của nó. 2.4.3. Khối hiển thị: - Gồm 8 led đơn mắt theo sơ đồ như hình bên: Cực dương của 8 led dược nối thông qua 8 điện trở rồi nối dến nguồn 5V. Các chân âm của led được gắn vào một PORT của VĐK. 2.4.4. Khối công suất: - Sơ đồ nguyên lý:
- Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển (PORTC) đưa vào chân B để kích transitor (TIP122) làm kích cuộn dây của động cơ. Khi cuộn dây kích thì sẽ có điện áp đi qua cuộn dây làm đảo cực tính nam châm.. Điều khiển đóng ngắt các chân dùng Transtor Darlington TIP122 (NPN) có tần suất đóng cắt lớn. TIP122_Darlington Power Transistors (NPN) (ghép nối Darlington gia tăng hệ số khuếch đại của mạch)

Chương 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH Giải thuật chương trình chính: chỉnh sửa T F T KẾT LUẬN : Qua đề tài, em đã biết được tầm quan trọng và việc ứng dụng rộng rãi của động cơ bước trong đời sống cũng như trong hoạt động sản xuất. Một trong những ứng dụng của nó là dùng để điều khiển rôbốt chạy theo quãng đường mình mong muốn một cách chính xác (robot tự hành). Đề tài còn nhiều kiến thức em chưa hiểu nên còn hạn chế trong việc sử dụng động cơ bước vào các ứng dụng của nó. Cảm ơn sự dạy bảo tận tình của thầy. Em sẽ cố gắng phát triển đề tài sâu nhất có thể. Tài liệu tham khảo + Kĩ thuật ứng dụng đồ án vi điều khiển ( Trần Văn Hùng). + Kĩ thuật vi điều khiển AVR ( Ngô Diên Tập). + Điện tử công suất (Trần Văn Hùng). + Tài liệu AVR (Ebook, alldatasheet.com). + Các trang Web có tài liệu liên quan: google.com.vn cdtvn.net diendandientu.com.vn alldatasheet.com