Báo cáo Thực tập Máy phay CNC CYBER-MILL

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 1 - LỜI NÓI ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hoá , hiện đại hoá đất nƣớc,có thể nói một trong những tiêu chí đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia là mức tự độnghoá trong quá trình sản xuất mà trƣớc hết là năng suất và chất lƣợng sản phẩm. Sự phát triển nhanh cuả máy tính điện tử, công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết điều khiển tự động đã làm cơ sở và hỗ trợ cho sự phát triển của nghành tự động hoá. Nƣớc ta, mặc dù là mộth đang phát triển, những năm gần đây cùng với sự đòi hỏi của sản xuất cũng nhƣ sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật và đặc biệt là ứng dụng tự động hoá trong các nghành sản xuất đã có bƣớc phát triển mới. Ngày nay tự động hoá đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất . một trong những ứng dụng của nó là sủa dụng máy công cụ CNC. Trong quá trinh thực tập chúng em đã đƣợc làm quen vơi một dạng CNC đó là máy phay CNC CYBER-MILL. Nhờ đựơc sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn đặc biết là thầy Nguyễn Mạnh Tiến và Thầy Hà Tất Thắng mà chúng em đã phần nao nắm bắt đƣợc nhũng kiến thức về CNC. Do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên những điều chúng em đã làm đƣợc sẽ có rất nhiều thiếu sót. Rất mong đƣớc sự góp ý của các thầy cô và các bạn. Sinh viên : Bùi Văn Việt BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 2 - PHẦN I TỔNG QUAN CNC 1.1) KHÁI NIỆN MÁY CNC CNC là viết tắt của Computer Numerical Control: điều khiển số bằng máy tính Máy công cụ CNC là loại máy gia công sử dụng các chƣơng trình đã đƣợc lập trình sẳn để gia công các chi tiết. Các chƣơng trình gia công đƣợc đọc cùng một lúc và đƣợc lƣu trữ vào bộ nhớ. Khi gia công, Máy tính đƣa ra các lệnh điều khiển máy, Máy công cụ CNC có khả năng thực hiện các chức năng nhƣ: nội suy đƣờng thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc ba nà. Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đƣờng kính dụng cụ. Tất cả các chức năng trên đều đƣợc thực hiện nhờ một phần mềm của máy tính. 1.2)ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC CỦA Máy công cụ điều khiển CNC. Đặc điểm của các động cơ truyền động Truyền động chính: Động cơ chính thƣờng dùng động cơ dòng một chiều hoặc dòng điện xoay chiều. Truyền động chạy dao: Động cơ dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều với bộ vitme/đai ốc/ bi cho từng trục, chạy dao độc lập X, Y, Z. Thƣờng sử dụng động cơ dòng một chiều có đặc tính động học tốt cho các quá trình gia tốc và quá trình phanh hãm, mômen quán tính nhỏ, độ chính xác điều chỉnh cao cho những đoạn đƣờng chuyển chính xác. Bộ víme/đai ốc/ bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát và không có khe hở khi truyền với tốc độ cao. Để có thể dịch chuyển chính BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 3 - xác trên các biên dạng, các trục truyền dẫn không đƣợc phép có khe hở và cũng không đƣợc phép có hiệu ứng stick-slip(hiện tƣợng trƣợt lùi do lực cản ma sát). Bộ vítme/ đai ốc/ bi là giải pháp kỹ thuật đảm bảo đƣợc yêu cầu đó. Phƣơng thức tác dụng của vítme/ đai ốc/ bi: Các viên bi nằm trong rãnh vítme và đai ốc đảm bảo truyền lực ít ma sát từ trục vítme qua đai ốc vào bàn máy. nhờ hai nửa đai ốc lắp theo chiều dài giữa chúng có vòng cách, có thể điều chỉnh khử khe hở theo hai chiều đối ngƣợc. Trong một số giải pháp kết cấu nâng cao của bộ truyền này, bƣớc nâng của rãnh vít trên trục và trên đai ốc có giá trị khác nhau. Việc dẫn bi hồi rãnh đƣợc thực hiện nhờ các rãnh dẫn hƣớng bố trí bên trong hoặc các ống dẫn hồi bi bao ngoài trục. Truyền dẫn chạy dao không khe hở trên các máy phay CNC cho phép cắt theo chu kỳ phay thuận mà vẫn êm. 1.3 ) HỆ TOẠ SỬ DỤNG TRONG MÁY CNC 1.3.1 hệ toạ độ vuông góc Các điểm mà dao cắt đi tới trong khi gia công đƣợc xác định trong một chƣơng trình. Để mô tả vị trí của các điểm này trong vùng làm việc, ta dùng một hệ toạ độ. Nó bao gồm ba trục vuông gốc với nhau cũng cắt nhau tại điểm 0. Trong hệ toạ độ này có các trục X, Y, và Z. Với một hệ trục toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng đƣợc xác định thông qua các toạ độ của nó. Hệ toạ độ máy do nhà chế tạo máy xác đinh, thông thƣờng nó không thể bị thay đổi. Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị. Trên máy phay nó nằm song song với bàn máy(bàn kẹp chi tiết). Trục Y là trục thứ hai trong mặt phẳng định vị. Nó nằm trên mặt nắp máy và vuông góc với bàn máy. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 4 - Trục Z luôn luôn trùng với trục truyền động chính. Trục này đƣợc nhà chế tạo xác định. Chiều dƣơng của trục Z chạy từ chi tiết hƣớng đến dao cắt. Điều đó có nghĩa là trong chuyển động theo chiều âm của trục Z, dao cắt sẽ đi tới bề mặt chi tiết. Để xác định nhanh chiều của các trục, dùng luật bàn tay phải: ta đặt ngón giữa của bàn tay phải theo chiều của trục Z thì ngón tay cái sẽ trỏ theo chiều trục X và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều Y. Hệ toạ độ cơ bản đựơc gắn liền với chi tiết. Bởi vậy khi ta lập trình ta phải luôn luôn xuất phát từ chổ xác định chi tiết đứng yên còn dao cắt thì chuyển động. Điều đó có nghĩa là : Khi cắt phay, rõ ràng chi tiết chuyển động là chính, nhƣng để đơn giản cho việc lập trình hãy quan niệm là chi tiết đứng yên còn dao cắt thì dịch chuyển. Ta gọi đó là chuyển động tƣơng đối của dao cụ. Để mô tả đƣờng dịch chuyển dao(các dữ liệu toạ độ) trên một số máy CNC có cả hai khả năng. 1.3.1.1 Dùng toạ độ Đề các. Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề các, ta đƣa ra các khoảng cách đo song song với các trục từ một điểm tới một điểm khác. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 5 - Các khoảng cách theo chiều dƣơng của trục có kèm theo dấu dƣơng(+) phía trƣớc. Các khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm(-) phía trƣớc. Các số đo có thể đƣa ra theo hai phƣơng thức: Đo tuyệt đối : Với các số đo tuyệt đối, ta đƣa ra toạ độ của các điểm đích tính từ một điểm cố định trong vùng làm việc. Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều xác định, dao cắt phải dịch chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối. Đo theo kích thƣớc : Với các số đo theo chuỗi kích thƣớc, ta đƣa ra toạ độ của các điểm đích tính từ mỗi điểm dừng lại của dao cắt sau một vệt cắt. Nghĩa là trong mỗi chuyến đều đƣa ra số liệu dao cần đƣợc dịch chuyển tiếp một lƣợng là bao nhiêu nữa theo từng trục toạ độ. 1.3.1.2 Dùng toạ độ cực Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ toạ độ cực, ta đƣa ra vị trí của một điểm không qua khoảng cách và góc so với một trục cơ sở Các toạ độ cực chỉ có thể đo trên mặt phẳng chính. Trong phạm vi của một hệ toạ độ cực có ba mặt phẳng chính. Từ ba trục X, Y và Z của hệ thống sẽ có ba bề mặt kẹp, đó là : mặt X/Y; mặt X/Z và mặt Y/Z 1.3.2 Những điểm quan trọng trong một hệ toạ độ Điểm chuẩn của máy M: là điểm gốc M của hệ toạ độ máy Điểm W chi tiết: là điểm gốc 0 của hệ toạ độ chi tiết, nó đựoc giữ cố định cho một chi tiết. Điểm chuẩn của dao P: là điểm gôc của hệ toạ độ gắn trên dao cắt. Điểm 0 lập trình: là điểm gốc 0, từ đó xác định các dữ liệu cập nhập BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 6 - trong một chƣơng trình. Điểm này có thể thay đổi thông qua lệnh chuyển điểm 0. 1.4) QUAN HỆ GIỮA CÁC TRỤC TOẠ ĐỘ: Khi gia công trên các máy CNC ngƣời ta có thể chia các hệ trục toạ độ thành 3 loại: hệ trục toạ đọ máy, hệ trục toạ độ chi tiết và hệ trục toạ độ của dao. Từ hệ trục toạ độ của máy có điểm gốc M ta có thể biểu diễn đƣợc hệ toạ độ của chi tiết và hệ toạ độ của dao bằng các phép dịch chuyển tịnh tiến hay các phép quay. Nhờ đó ta có thể xác định đựơc vị trị của điểm trên chi tiết cần gia công cũng nhƣ vị trị dao để gia công chi tiết. 1.5 ) các dạng điều khiển của máy công cụ cnc. Các máy CNC khác nhau có khả năng gia công đƣợc các bề mặt khác nhau nhƣ các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình, .v.v Do đó các dạng điều khiển của máy cũng đƣợc chia ra thành: điều khiển điểm- điểm, điều khiển theo đƣờng thẳng và điều khiển theo biên dạng. a) điều khiển điểm-điểm: dùng gia công cắc lỗ bằng các phƣơng pháp khoan, khoét, doa và cắt ren. ở đây chi tiết gia công đƣợc gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình. Khi đạt tới đích dao bắt đầu gia công. truờng hợp này quỹ đạo của chuyển động dao là không quan trọng, điều quan trọng là vị trí gia công đạt đến phải chính xác. b) Điều khiển theo đƣờng thẳng. Điều khiển đƣờng thẳng là dạng điều khiển khi gia công dụng cụ cắt thực hiện lƣợng chạy dao theo một đƣờng thẳng nào đó. Khi thực hiện gia công các chuyển động theo các trục toạ độ là độc lập không có quan hệ rằng buộc nào với trục khác. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 7 - c) Điều khiển biên dạng. Điều khiển theo biên dạng cho phép chạy trên nhiều trục cùng một lúc. Trong trƣờng hợp này cả hai trục để tạo ra một dạng vừa có phần thẳng vừa có phần cong. ở đây theo các trục có quan hệ hàm số ràng buộc với nhau. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 8 - PHẦN II GIỚI THIỆU CNC CYBER-MILL CYBER- MILL là máy phay CNC phục vụ cho việc thí nghiệm có mô hình nhƣ sau: Các bộ phận Truyền động: Động cơ một chiều có mang dao phay đƣờng kính dao 3mm. Chuyển động ăn dao: Chuyển động ăn dao đƣợc thực hiện nhờ ba động cơ bƣớc hoạt động độc lập nhau mỗi động cơ loại nguồn 2A-5V và bộ Vitme/ đaiốc. Mỗi động cơ bƣớc thực hiện điều khiển chuyển động theo một trục nhất định trong hệ toạ độ Đề các(X,Y,Z). BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 9 - Bộ truyền động đƣợc sử dụng là Vitme/đai ốc. Chiều dài Vít me trục Z là 210 mm. Chiều dài Vitme trục X là 380 mm. Chiều dài Vitme trục Y là 210 mm. Khoảng cách các răng trên Vitme là 3mm/răng Độ rộng mỗi răng là 1mm. đƣờng kính Vitme la 12mm. Không gian làm việc : 20x40( mm x mm). Đầu Vitme đƣợc nối với trục của động cơ bƣớc thực hiện biến đổi chuyển động quay tròn của động cơ bƣớc thành chuyển động thẳng của vật mang chi tiết. Đầu còn lại của Vitme đƣợc gá vào khung đỡ. ở giữa của Vitme đựơc gá vào đaiốc để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Tính toán chuyển động: Động cơ bƣớc có số bƣớc 200 bƣớc/ vòng. Do đó để thực hiện chuyển động một khoảng L theo một trục nào đó của vật mang chi tiết thì số vòng quay phải thực hiện sẽ là L/3. Khi đó số xung cân cấp cho động cơ bứơc sẽ là 200 .L/3. Việc tính toán điều khiển chuyển động động cơ bƣớc sẽ đƣợc thực hiện bằng máy tín. Việc thực hiện điều khiển chuyển động của động cơ bƣớc đƣợc thiết kế nhƣ phần IV dƣới đây. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 10 - PHẦN III ĐỘNG CƠ BƯỚC I. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƢỚC 1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BƢỚC BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 11 - Các hệ truyền động rời rạc thƣờng đƣợc thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là động cơ bƣớc. Động cơ bƣớc thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dƣới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị trí cần thiết. Động cơ bƣớc làm việc đƣợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đƣa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tƣơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nhƣ chiều quay và tốc độ quay của tôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato(phần ứng) của động cơ bƣớc thì rôto(phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bƣớc quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay liên tục.(Thực chất là chuyển động đó vẫn là theo các bƣớc rời rạc). Về cấu tạo, động cơ bƣớc có thể 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. Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có rôto thƣờng là một nam châm vĩnh cửu(số đôi cực 2p=2) và cần có cảm biến vị trí rôto thì động cơ bƣớc có rôto dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto. Động cơ bƣớc vì từ trƣờng quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto quay theo các bƣớc. Cũng giống nhƣ động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bƣớc có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 12 - Nhƣng động cơ đồng bộ gảim tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bƣớc không cần yếu tố này. Mặt khác Có thể cói động cơ bƣớc là linh kiện số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ đƣợc chuyển thành chuyển động quay theo từng bƣớc. Động cơ bƣớc sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá này máy tính yêu cầu Mô hình số hoá động cơ bước. 2. Nguyên lý hoạt động. Rô to động cơ bƣớc không có cuộn dây khởi động mà nó đƣợc khởi động bằng phƣơng pháp tần số. Rôto của động cơ bƣớc có thể đƣợc kích thích(rôto tích cực) hoặc không đƣợc kích thích(rôto thụ động). Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực hoặc xung 2 cực Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẽ 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 rôto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc voà phƣơng pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 13 - Thực tế để tăng cƣờng lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, ngƣời ta thƣờng cấp điện đồng thời cho hai,ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rôto của động cơ bƣớc sẽ có vị trí cân bằng(ổn định ) trung với vectơ lực 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. Khi cấp điện cho một số chẵn cuộn dây hoặc cho một số lẽ cuộn dây rôto của động cơ bƣớc sẽ có m vị trí cân bằng. góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rôto bằng 2/m - Trƣờng hợp này gọi là điều khiển cả bƣớc hay điều khiển đối xứng. Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây, có nghĩa là số lƣợng cuộn dây đƣợc điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m. độ lớn của một bƣớc sẽ giảm đi một nửa bằng 2/2m – Trƣờng hợp này gọi là điều khiển nửa bƣớc hay điều khiển không đối xứng. Ta có thế tính số bƣớc quay của rôto trong khoảng 03600 là: K= m.n1.n2.p, Trong đó: p: số đôi cực của rôto; m: số cuộn dây điều khiển trên stato(số pha); n1: hệ số, n1 =1 ứng với điều khiển đối xứng; n2=2 ứng với điều khiển khôngđối xứng; n2: hệ số, n2=1 điều khiển bằng xung 1 cực; n2=2 điều khiển bằng xugn 2 cực. Bƣớc quay của rôto trong không gian là =3600/K. 3.) mômen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bƣớc. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 14 - Biểu thức mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bƣớc khác với biểu thức mômen đồng bộ của động cơ đồng bộ thƣờng có cùng cấu trúc. Sự khác nhau đó là do động cơ bƣớc đƣợc cấp bởi dòng điện một chiều, chứ không phải dòng điện xoay chiều. Trong động cơ đƣợc cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ, dòng điện trong các cuộn stato là hằng số I=U/rs=Const. Từ thông mà nó sinh ra tác động vào cặp cực của rôto: =B.S.cos=B.S.sin trong đó: B là cƣờng độ từ trƣờng do dòng điện I sinh ra trong cuộn dây có điện cảm L; S là tiết diện vuông gốc của cặp cực;  là góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha;  là góc giữa trục cặp cực và đƣờng vuông góc với trục của cuộn dây pha; Do  thay đổi nên từ dẫn dọc theo đƣờng đi của từ thông thay đổi theo, làm cho từ thông thay đổi trong một giới hạn rộng. Nếu viết biểu thức  dƣới dạng: =L.I (L là điện cảm). Do sự thay đổi của góc  cùng với sự thay đổi của khe hở không khí giữa các răng của stato và rôto làm cho điện cảm L thay đổi theo dẫn đến từ thông  và do đó mômen của động cơ thay đổi. Mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bƣớc khi stato và rôto có răng và đƣợc kích thích, có thể viết dƣới dạng tổng quát của 3 mômen quay: M()=MS+MR+MSR= CM.IS.(dLS/d)+CM.IR.(dLR/d)+2.CM(dLRS/d) BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 15 - Trong đó: IS, IR, LS(), LR(), LSR() là các giá trị xác lập tƣơng ứng dòng điện, điện cảm và hổ cảm của stato(S) và rôto(R); CMlà hằng số, phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại động cơ. Mômen MS đƣợc hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đƣờng đi của từ thông stato đƣợc kích thích bởi dòng điện IS. MR đƣợc hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đƣờng đi của từ thông rôto đƣợc kích thích bởi dòng điện IR. MSR đƣợc hình thành do sự thay đổi hỗ cảm giữa stato và rôto đƣợc kích thích bởi dòng điện IS và IR. Hiện nay, phần lớn các động cơ bƣớc đều có cấu tạo rôto không có cuộn kích thích. Do đó biểu thức mômen có dạng đơn giản sau: M()=CM.IS.(dLS/d). Quan hệ giữa mômen với góc quay  thƣờng là không hình sin do ảnh hƣởng của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của stato và rôto, cũng nhƣ do xung điện áp cấp vào có dạng xung vuông là tổng của các thành phần điều hoà. Quan hệ của mômen M=f() là dƣờng cong có dạng nhƣ sau:  đường cong mômen của động cơ bước theo gốc quay  BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 16 - Chất lƣợng của động cơ bƣớc đƣợc đánh giá bởi độ dốc của đƣờng cong mômen đồng bộ M=f(), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc thuộc đƣờng cong này. Độ dốc của đƣờng M=f() trong vùng này càng lớn thì suất mômen dM/d càng lớn và khả năng đồng bộ của đồng bộ của động cơ bƣớc càng lớn. Giả sử tại một vị trí nhất định, rôto mang một mômen tải(mômen cản) MC. Để giữ đƣợc rôto ở vị trí này ta phải cấp dòng điện cho cuộn dây stato tại vị trí đó và do góc =0 nên M=Mmax. Điều kiện để giữ đƣợc rôto không trƣợt khỏi vị trí là: MC<Mmax Muốn quay rôto đi một gốc  rời khỏi vị trí đang giữ, ta phải cấp dòng điện cho cuộn stato ở vị trí mới, đồng thời ngắt dòng điện của cuộn stato ở vị trí củ. Điều kiện để rôto quay đƣợc góc  là : MC<Mmax.cos. Cần chú ý rằng sự chuyển bƣớc của rôto chỉ thực hiện đƣợc trong điều kiện nhất định, khi mà sự dịch chuyển của lực điện từ F đi một góc  không làm cho động cơ rơi vào vùng mất ổn định của đặc tính góc M=f() Nếu nhƣ góc  qua lớn thì rôto rời vào vùng mất ổn định,không bám theo đƣợc từ trƣờng và động cơ bị mất bƣớc. Trong trƣờng hợp tổng quát, để động cơ không bị mất bƣớc cần thực hiện điều kiện sau: MC<Mmax.cos(2/K), trong đó: K là số bƣớc quay Nhƣ vậy bƣớc quay =3600/K càng nhỏ thì mômen tải MC cho phép trên trục động cơ càng lớn. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 17 - 4. Cấu tạo và phân loại động cơ bƣớc: Để tăng số bƣớc của động cơ(tăng độ phân giải về góc), ta cần phải tăng lƣợng cuộn dây pha m và tăng số cặp cực p. Việc tăng số lƣợng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế về kích thƣớc của stato và những trở ngại khi đặt các bobin dây quấn vào các rãnh nửa hở của stato, đồng thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng sẽ phức tạp hơn. Do đó ngƣời ta thƣờng làm các động cơ bƣớc với số lƣợng pha m đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha hay 5 pha; trong đó thông dụng nhất là 2 pha và 4 pha. Việc tăng số bƣớc của động cơ đƣợc giải quyết bằng tăng số lƣợng cặp cực rôto. Rôto động cơ bƣớc tạo thành nhiều cặp cực đƣợc chế tạo từ vật liệu kỹ thuật đặc biệt có độ từ hoá cao và chịu mômen tải lớn, vì chính rôto là bộ phận chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó. Ngƣời ta thƣờng chế tạo các động cơ bƣớc có các bƣớc trong khoảng từ 0,45 0150 tuỳ theo mục đích sử dụng. Trong đó thông dụng nhất trên thị trƣờng hiện nay là loại động cơ có góc bƣớc 1,80. Xét về cấu tạo, động cơ bƣớc có ba loại chính: - Động cơ bƣớc có rôto đƣợc kích thích(có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu). - Động cơ bƣớc có rôto không kích thích(động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng). - Động cơ bƣớc kiểu hỗn hợp, kết hợp cả hai loại trên. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC 1. Ba chế độ(Mode) điều khiển động cơ bƣớc. Ta có ba chế độ điều khiển động cơ bƣớc đó là: BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 18 - a, Chế độ cả bƣớc. b, Chế độ điều khiển cả bƣớc. c, Chế độ điều khiển vi bƣớc. Cơ sở lý thuyết của việc điều khiển các chế độ này nhƣ sau: Hình dƣới miêu tả mối quan hệ giữa các véc tơ lực điện từ F1, F2 của 2 cuộn dây 1 và 2 khi đƣợc cấp dòng điện đơn cực và véctơ lực điện từ tổng F Trong đó : F1: lực điện từ tác động lên rôto khi cuộn dây 1 đƣợc kích thích; F2: lực điện từ tác động lên rôto khi cuộn dây 2 đƣợc kích thích; F: lực điện từ tổng; : góc bƣớc; : góc cần điều khiển(góc vi bƣớc); Nếu ta điều khiển sao cho F1, F2 có trị số không bằng nhau thì lực điện từ tổng F sẽ có hƣớng thay đổi trong khoảng góc bƣớc (Từ cạnh OA đến cạnh OB của tam giác OAB) và do đó vị trí của rôto thay đổi đƣợc và có thể cố định vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bƣớc Gọi  là góc vi bƣớc tạo bởi vectơ F1 và F2, áp dụng tính chất của hình bình hành(OACB) và các hệ thức lƣợng trong tam giác cho các tam giác OAB, OAC và OAD ta có các biểu thức sau : AB 2 =OA 2 +OB 2 -2.OA.OB.cos. OC 2 =OA 2 +OB 2 +2.OA.OB.cos (AB/2) 2 =OA 2 +(OC/2) 2 -2.OA.(OC/2).cos hay : AB 2 =4.OA 2 +OC 2 -4.OA. OC.cos cos=   cos....2 cos 22 OBOAOBOA OBOA   BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 19 - cos=   cos...2 cos 21 2 2 2 1 21 FFFF FF   a, điều khiển động cơ cả bƣớc - Đầu tiên cho F2=0 và F1=F, cos=F/F=1 nên góc =0, rôto ở vị trí trục cuộn dây 1. - Sau đó cho F1=0 và F2=F, cos=cos hay =, Rôto ở vị trí trục cuộn dây 2. b, Điều khiển nửa bƣớc - Đâu tiên cho F2=0 và F1=F, rôto ở vị trí trục cuộn dây 1. - Tiếp theo cho F1=F2=F, cos= )cos1(2 cos1     = )2/(cos4 )2/(cos2 2 2   cos=cos(/2), = /2. Rôto ở vị trí chính giữa góc . - Sau đó cho F1=0 và F2=F, rôto sẽ ở vị trí trục của cuộn dây thứ 2. Trong trƣờng hợp này rôto sẽ chuyển động từng bƣớc =/2,(=0, /2, ) c, Điều khiển vi bƣớc: Nếu ta điều khiển sao cho lực F1 giảm dần theo từng bƣớc từ F đến 0 và lực F2 tăng dần từng bƣớc từ 0 đến F thì rôto sẽ quay từng bƣớc từ vị trí OA đến OB. Trên thực tế, để rôto có thể quay đƣợc các bƣớc đều, chẳng hạn theo vi bƣớc (ví dụ =/10), thì phải giải phƣơng trình (11) để tìm F1 và F2 ứng với các góc quay =, 2, 3, ... , n. Phƣơng trình (11) là một phƣơng trình bậc 2 với hai ẩn số, về nguyên tắc là không giải đƣợc. Nhƣng với điều kiện bên nhất định phƣơng trình(11) sẽ giải đƣợc. 2, Các đặc trƣng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bƣớc. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 20 - Đối với động cơ bƣớc, tín hiệu điện điều khiển là các xung rời rạc kế tiếp nhau. Việc điều khiển động cơ bƣớc 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 bƣớc). - Tần số xung(liên quan đến tốc độ quay). - Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lƣợng cuộn dây pha đƣợc cấp(liên quan đến chiều quay và mômen tải). Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bƣớc có bốn trạng thái sau đây: a, Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào đƣợc cấp điện: - Đối với động cơ phản kháng: rôto sẽ quay trơn. - Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hổn hợp: có mômen hãm, rôto có xu hƣớng dừng ở các vị trí mà đƣờng khép kín từ thông giữa các cực của rôto và stato là nhỏ nhất. b, Trạng thái giữ: Khi một số cuộn dây pha đƣợc cấp điện một chiều. Rôto mang tải sẽ đƣợc giữ chặt ở vị trí góc bƣớc nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mômen giữ. c, Trạng thái dịch chuyển bƣớc: rôto sẽ dịch chuyển từ vị trí bƣớc đang đƣợc giữ sang vị trí bƣớc tiếp theo khi các cuộn dây pha đƣợc 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 vƣợt tốc. Ở trạng thái này động cơ không thể đảo chiều, không thể dừng đúng vị trí, nhƣng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ. muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuống dƣới tốc độ dƣới tốc độ tới hạn để hoạt động trong chế độ bƣớc. chỉ có hai trạng thái b và c là đƣợc coi là trạng thái làm việc. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 21 - 3) GIỚI THIỆU BA KIỂU ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN I VÀ ĐIỆN ÁP U 3.1. mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp U Trong số liệu kỹ thuật của động cơ bƣớc ta chú ý đến 4 tham số quan trọng sau: - Điện áp danh định U; - Dòng điện danh định I; - Điện trở cuộn dây pha R; - Điện cảm cuộn dây pha L; Sơ đồ cấp điện đơn giản cho 1 cuộn dây pha nhƣ sau: VCC: điện áp nguồn cấp; RS: Điện trở nguồn cấp; D : điôt dumper (làm nhụt - xả năng lƣợng). Ki : chuyển mạch điện tử cho cuộn dây pha thứ i. Trạng thái giữ, khoá K đóng liên tục, ngƣời ta thƣờng cấp dòng điện I hoặc điện áp U bằng khoảng 65%100% giá trị danh định. Vì là dòng một chiều nên ở chế độ giữ, điện cảm L không làm sụt áp, ta có phƣơng trình: BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 22 - VCC = I.RS+I.R; VCC = I.RS+U; từ đây ta có ba cách cấp điện ở chế độ giữ nhƣ sau: - Cấp bằng nguồn ổn áp: RS=0; VCC=U; - Cấp bằng nguồn dòng có ICC=I. - Cấp bằng nguồn ổn áp có nguồn cấp cao hơn U và mắc điện trở nối tiếp RS. Muốn cho động cơ quay một bƣớc thì phải ngắt dòng điện cuộn thƣ i (mở KI) và đống khoá KJ cho dòng điện đi vào cuộn dây thứ j. Giả thiết rằng các khoá điện tử KI và KJ đóng ngắt tức thì(t=0). Tại cuộn dây thứ i(cuộn dây bị ngắt) ở đầu điôt D xuất hiện suất điện động và năng lƣợng từ trƣờng Li2/2 sẽ đƣợc giải phóng qua điốt D Tại cuộn dây thứ j ta có phƣơng trình : VCC= E+L.(di/dt)+i.r; trong đó: VCC: điện áp một chiều cấp vào; r=RS+R: tổng trở toàn mạch; i: dòng điện tức thời trong cuộn dây; E: suất điện động quay, cảm ứng trong cuộn dây stato bởi từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu của rôto, chỉ tồn tại khi rôto đang quay từ vị trí thứ i sang vị trí thứ j, khi rôto đứng yên ở trạng thái giữ thì E=0; i=(VCC-E)/r.(1-e t/T ) Giải phƣơng trình vi phân trên ta đƣợc biểu thức cho dòng điện: Trong đó: T=L/r- hằng số thời gian. Nhƣ vậy là dòng điện không xác lập ngay lập tức mà tăng lên từ từ: - Khi bắt đầu khởi động (E=0), dòng điện tăng với hệ số góc VCC/L, - Sau điểm khởi động, dòng điện tăng với hệ số góc (VCC-E)/L cho BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 23 - đến khi rôto dừng ở vị trí mới, lúc đó dòng điện đạt tới giá trị I0. - Sau khi rôto dừng ở vị trí mới,dòng điện tiếp tục tăng với hệ số góc VCC/L đến giá trị xác lập VCC/r. Đặc tuyến thời gian(và góc) của dòng điện stato đƣợc biểu diễn trên hình sau: Từ các kết quả trên rút ra những nhận xét quan trọng sau: a, phải thiết kế sao cho dòng điện xác lập không vƣợt quá dòng điện tối đa cho phép(VCC/rImax) nếu sau khi quay một bƣớc rôto dừng và duy trì ở vị trí ở vị trí giữ. b, Nếu sau khoảng thời gian t1, rôto quay xong góc bƣớc , ta lại chuyển mạch để rôto quay bƣớc tiếp theo thì dòng điện không bao giờ đạt tới giá trị xác lập. Điều đó giải thích tại sao khi quay với tốc độ lớn dòng điện cấp cho động cơ lại nhỏ. c, Nếu tăng tỷ số VCC/r thì thời gian để động cơ quay một bƣớc (t1) sẽ nhỏ đi do dòng điện đạt đến giá trị I0 nhanh hơn. Điều đó giải thích tại sao BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 24 - muốn cho động cơ quay nhanh thì phải cấp điện áp cao. (Điện áp này lớn gấp nhiều lần điện áp danh định U của động cơ, cho theo Catalog). d, Nếu dòng điện chƣa đạt đến giá trị I0 khi t<t1 mà đã ngắt nguồn thì không chắc chắn động cơ sẽ quay đƣợc một bƣớc(mất bƣớc). Điều này ngƣời thiết kế phải tính đến khi chọn các khoá điện tử. 3.2. Điều khiển dòng-áp băng hệ số L/R Đây là cách đơn giản nhất,chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất rất nhỏ. Bản chất của kiểu điều khiển này là khi ở trạng thái ở trạng thái giữ thì nguồn chịu tải chính là RS, khi dịch bƣớc thì nguồn chịu tải chính là cảm kháng ZL. Muốn cho động cơ quay với tốc độ cao thì phải chọn VCC lớn, trên thực tế là bằng 715 lần điện áp định mức U. Do đó khi ở chế độ giữ, công suất tiêu tán trên điện trở nối tiếp RS rất lớn: P=I 2 .RS=(VCC-U) 2 /RS Công suất tổn hao này một mặt lãng phí, mặt khác có thể làm nóng và cháy điện trở nối tiếp RS. 3.3. Điều khiển dòng-áp bằng độ rộng xung: Xuất phát từ nhận xét d, bản chất của kiểu điều khiển này nhƣ sau: - Ở chế độ dịch bƣớc,cuộn dây pha đƣợc cấp một xung có độ rộng sao cho rôto có thể dịch đƣợc bƣớc, nghĩa là dòng i đạt đến mức I0<i<Imax. - Sau khi dịch bƣớc,ở chế độ giữ, ta không cấp dòng một chiều(nhƣ phƣơng án hệ số L/R) mà cấp xung điện áp cao và tần số cao hơn. Lúc này điện cảm L của cuộn dây pha có tác dụng nhƣ một bộ lọc tich phân và dòng điện trung bình làm nhiệm vụ sinh ra mômen giữ. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 25 - Sơ đồ điện áp và dòng điện của cuộn dây pha trong trƣờng hợp này nhƣ sau: Sơ đồ xung điện áp và dòng điện của cuộn dây stato khi điều khiển bằng độ rộng xung Kinh nghiệm cho thấy, đối với phần lớn các loại động cơ bƣớc, tần số xung trong lúc giữ là 20 kHz; còn độ rộng xung chủ yếu khảo sát thực tế đối với từng loại động cơ bƣớc, hoặc tính đƣợc từ phƣơng trình 27 khi biết chắc chắn các tham số I, U, L của loại động cơ bƣớc đó, hoặc đƣợc khống chế tự động nhờ việc theo dõi dòng điện i trong cuộn dây pha. Kiểu điều khiển này có một số nhƣợc điểm sau: - Mạch điều khiển phức tạp và đòi hỏi transisto làm nhiệm vụ khoá điện tử phải có tốc độ đóng cắt nhanh, công suất lớn. - Trong thời gian giữ, từ trƣờng thay đổi liên tục làm nóng động cơ; đồng thời transisto đóng cắt cũng liên tục phải chịu các xung điện áp thận nghịch khá cao nên ở mức độ nào đó cũng bị nóng. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 26 - - Không áp dụng cho chế độ vi bƣớc. - các xung điện áp cao và tần số cao cùng với từ trƣờng thay đổi liên tục gây nhiễu radio và nhiễu điện từ trƣờng, nhiều khi làm cho mạch điều khiển không hoạt động. 3.4. Điều khiển dòng-áp bằng điện áp hai mức Kiểu điều khiển này dựa theo nguyên tắc sau: - Khi ở chế độ giữ, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp thấp, đúng bằng điện áp danh định U, và do đó dòng điện cũng đạt tới danh định nhƣng không có công suất tiêu tán trên nguồn - Khi ở chế độ dịch bƣớc, đồng thời với việc cấp xung điều khiển, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp VCC rất cao và đo dòng điện trong cuộn dây. Khi dòng điện đạt đến giá trị đủ để động cơ quay một bƣớc, ta ngắt điện áp cao và đƣa điện áp thấp vào. Giản đồ xung điều khiển điện áp 2 mức BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 27 - Tại thời điểm t0 khi cuộn dây pha đƣợc cấp dòng để chuyển bƣớc, xung XC cũng lên 1 để cấp điện áp cao VCC bằng bóng bán dẫn T1. Lúc đó điot D tự động khoá nguồn U do có phân cực ngƣợc(VCC>U). Dòng điện bắt đầu tăng dần cho đến khi: i.RS=Imax.RS=US thì bộ so sánh C1 xuất ra xung XRS xóa tín hiệu XC, T1 ngắt điện áp cao VCC ra khỏi mạch, lấp tức điôt D đóng nguồn thấp U để duy trì trạng thái giữ của rôto. Xung điều khiển Xđk vẫn đƣợc duy trì cho đến khi việc điều khiển đƣợc chuyển sang cấp điện cho pha khác và không cấp điện cho pha nay PHẦN IV GIỚI THIỆU VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC L297 VÀ L298. 1. Vi mạch điểu khiển động cơ bƣớc L297. Hãng sản xuất: SGS- THOMSON Microelectronics. Vi mạch L297 tích hợp tắt cả các mạch điện tử cần thiết để điều khiển động cơ bƣớc lƣỡng cực và đơn cực. Sử dụng cùng với mạch cầu công suất BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 28 - kép nhƣ L298 tạo ra một bộ ghép nối hoàn chỉnh giữa bộ vi xử lý và động cơ kiễu lƣỡng cực. Động cơ bƣớc kiểu đơn cực cũng có thể điều khiển đƣợc bằng L297 cộng 4 cụm công xuất mắc theo kiểu Đalingtơn. Vi mạch điều khiển động cơ bƣớc L297 trƣớc hết sử dụng cùng với cầu công xuất L298 hoặc L293E trong các ứng dụng điều khiển động cơ bƣớc. L297 nhận tín hiệu điều khiển từ hệ thống điều khiển, thƣờng là chip vi xử lý trung tâm và tạo ra tất cả các dạng xung điều khiển cho tầng công suất. Hơn thế nữa, nó bao hàm hai bộ chopper điều khiển độ rộng xung PWM để điều khiển dòng điện trong các cuộn dây pha. Với việc hạn chế công suất phù hợp, L297 điều khiển đƣợc động cơ nam châm vĩnh cửa 2 pha, động cơ nam châm vĩnh cửu 4 pha và động cơ có từ trở thay đổi 4 pha. Ngoài ra, nó có thể điều khiển ở cả hy chế độ cả bƣớc hay nửa bƣớc. CÁC ƢU ĐIỂM Vi mạch L297 cộng với mạch công suất L298 có nhiều ƣu điểm: cần ít linh kiện, yêu cầu phần mềm rất đơn giản nên giảm tải cho bộ vi xử lý. Thêm vào đó, việc lựa chọn cặp vị mạch đồng bộ (L297 và L298) có độ linh hoạt nhất định. Bản thân L298 có thể sử dụng riêng cho đồng cơ một chiều, còn L297 có thể sử dụng cho bất kỳ tầng công suất nào kể cả linh kiện rời. Đối với động cơ lƣỡng cực có dòng điện pha không quá 2A thì nên sử dụng L297 đồng bộ với L298; nếu dòng điện dƣới 1A thì tốt hơn hết là sử dụng L293E. khi dòng điện lớn hơn thì sử dụng bóng bán dẫn công suất hoặc cặp Đalinhtơn. Vi mạch L297 đƣợc chế tạo bỡi hãng SGS bằng công nghệ I2L phù hợp dạng thức Analog/Digital và đóng vỏ nhựa dạng DIP dạng 20 chân. Vi BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 29 - mạch sử dụng nguồn 5V và các đầu ra thích hợp chuẩn TTL/CMOS hoặc kiểu bóng bán dẫn collector hở. Sơ đồ dạng Dip 20 chân và chức năng các chân. 2. vi mạch L298 L298N có 2 mạch cầu công suất, mỗi mạch đƣợc điều khiển bằng 2 tín hiệu TTL và một đầu cho phép cũng mức TTL. Thêm vào đó, các cực Emitter của các bóng công suất dƣới đƣợc đƣa ra ngoài cho phép đấu điện trở cảm biến dòng điện RSA và RSB. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 30 - Sơ đồ nguyên lý mạch của L298. Với L298N, SGS đã sử dụng công nghệ cấy ion ở điện áp và dòng điện cao nên cho phép nó có công suất hiệu dụng đến 160W(46V/2A). Vi mạch cần một nguồn 5V riêng biệt để giảm công suất tiêu tán và cho phép nối thẳng với L297 hoặc các tín hiệu logic điều khiển khác. 3- Thiết lập thứ tự điều khiển pha. Trái tim trên sơ đồ của vi mạch L297 là khối biến đổi (TRANSLATOR). Nó tạo ra thứ tự điều khiển pha cho chế độ nửa bƣớc, cả bƣớc 1 pha và cả bƣớc 2 pha. Khối này đƣợc điều khiển bởi ba tín hiệu vào: Chiều quay(CW/CCW), (HALF/FULL) và một xung dịch bƣớc, xung này giúp cho khối biến đổi dịch chuyển từ bƣớc hiện thời sang bƣớc tiếp theo. Bốn tín hiệu ra từ bộ biến đổi đến bộ logic đầu ra để tạo ra các tín hiều điều khiển, trong đó có cả tín hiều thực hiện chức năng cấm và chopper. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 31 - Sơ đồ khối của vi mạch L297, bao gồm một bộ biến đổi (TRANSLATOR), một bộ tạo xung chopper kép PWM và bộ logic điều khiển đầu ra Về chức năng bên trong thì khối biến đổi gồm bộ đếm 3 bit và một số mạch logic tổ hợp để tạo ra tập hợp mã Gờrây cho 8 bƣớc cơ bản nhƣ hình sau: Tám trạng thái logic cơ bản của bộ TRANSLATOR. Các trạng thái ở đây là cho chế độ điều khiển nửa bước, quay thuận kim đồng hồ BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 32 - Cả ba chế độ điều khiển đều có thể tạo ra một cách dể dàng từ 8 trạng thái chủ đạo trên. Thứ tự đã nêu của 8 trạng thái phục vụ trực tiếp cho chế độ điều khiển nửa bƣớc, đƣợc chọn với mức cao của tín hiệu HALF/FULL. - Chế độ điều khiển nửa bƣớc khi không ở trạng thái chopping Dạng xung ra cho chế độ điều khiển nửa bước khi không ở trạng thái chopping. Khi tín hiệu HALF/FULL xuống thấp thì có chế độ điều khiển cả bƣớc. Các trạng thái và xung ra khi cấp dòng điện đồng thời cho 2 pha ở BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 33 - chế độ cả bước. Các tín hiệu INH1 và INH2 đều cao. Các trạng thái và dạng xung ra khi chỉ cấp dòng điện cho 1 pha ở chế độ cả bước. 4. Các tín hiệu INH1 và INH2 Trong chế độ cả bƣớc và nửa bƣớc 1pha, 2 tín hiệu này đƣợc tạo ra để nối ghép với tín hiệu cho phép của vi mạch L298 nhằm tăng tốc dòng điện dƣ khi các cuộn dây pha ngắt. Vì cả hai cuộn dây đều đƣợc cấp điện thƣờng xuyên trong chế độ cả bƣớc 2 pha, không cuộn nào ngắt điện nên lúc đó không cần tạo ra tin hiệu này. Hai tín hiệu INH1 và INH2 đƣợc tạo ra bởi hàm: INH1=A+B INH2=C+D 5. Các tín hiệu khác Hai tín hiệu khác cũng đƣợc nối với khối biến đổi(TRANSLATOR). Đó là tín hiệu RESET và home. Reset là tín hiệu không đồng bộ, nó đƣa khối biến đổi về trạng thái gốc (ABCD=0101). Tín hiệu ra HOME chỉ thị trạng thái này và thƣờng đƣợc nhân logic với tín hiệu ra của đầu cảm nhận góc bằng cơ khí. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 34 - Cuối cùng tín hiệu ENABLE đƣợc đƣa vào khối logic đầu ra. Khi tín hiệu này xuống thấp thì tất cả các tín hiệu ra INH1, INH2, A, B, C và D đều ở mức thấp. ENABLE dùng để cấm bộ công suất cấp điện cho động cơ khi hệ thống khởi động. 6- Điều khiển dòng tải Vi mạch L97 điều khiển dòng tải bằng bộ chopper PWM. Một bộ cho 1 pha của động cơ lƣỡng cực hoặc là một bộ cho cặp cuộn dây của động cơ đơn cực(4 pha). Mỗi bộ chopper đƣợc cấu tạo từ một mạch so sánh, mạch lật trạng thái(flip-flop) và một điện trở cảm biến dòng ở bên ngoài. Bộ dao động chung trong chip cung cấp xung tần số chopper cho cả hai bộ chopper. Trong mỗi bộ chopper nhƣ vậy(xem hình vẽ), mạch flip-flop đƣợc Set bởi mỗi xung từ bộ dao động, cho phép tín hiệu ra để dòng điện tăng dần. Khi dòng điện tăng, điện áp trên điện trở cảm cũng tăng. Khi điến áp này đạt đến giá trị Vref thì flip-flop Reset, cấm đầu ra cho đến khi có xung tiếp theo từ bộ dao động. Tín hiệu ra của mạch điện này là một tín hiệu PWM có tần số không đổi. Giá trị Vref xác định dòng tải cực đại. sơ đồ chức năng của bộ tạo xung chopper điều khiển dòng điện. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 35 - 7. Điều khiển dòng tín hiệu pha và bằng tín hiệu INHIBIT. Việc điều khiển dòng điện(chopping) có thể thực hiện hoặc bằng các tín hiệu pha(ABCD) hoặc bằng các tín hiệu INHIBIT(INH1 và IHN2). Tín hiệu CONTROL(chân 11) đảm nhận việc xác định xác định chopping bằng cách nào. - Nếu CONTROL=1 thì chopping bằng tín hiệu pha. - Nếu CONTROL=0 thì chopping bằng tín hiệu INHIBIT. Với động cơ bƣớc đơn cực ta chọn điều khiển bằng tín hiệu INHIBITl với động cơ lƣỡng cực ta chọn cả hai cách. Chopping bằng tín hiệu pha. Dòng điện X bị ngắt bởi B Và tiếp tục chạy ttheo vòng Y. Nếu ngắt bởi A, nó sẽ chạy theo Vòng Z và tăng công suất tiêu tán trên RS. BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 36 - Chopping bằng INHIBIT. Dòng điện chạy qua Q1, cuộn dây và Q4 được ngắt bởi INH1. Dòng điện dư chạy qua D2 và D3 . ỨNG DỤNG PHẦN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG L297 VÀ L298 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC LƢỠNG CỰC : Mạch điều khiển động cơ bƣớc bao gồm : - L297 điều khiển mạch cầu L297. - L298 mạch cầu công suất kép cung cấp tín hiệu cho các điều khiển động cơ bƣớc. Sơ đồ mạch nhƣ sau: BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 37 - sơ đồ đấu nối L297 và L298 để điều khiển động cơ bước lưỡng cực với dòng điện cực đại 2A Thuyết minh nguyên lý làm việc của mạch. Mạch điện sử dụng thêm mạch cầu ngoài cung cấp tín hiều cho các cuộn dây của mạch điều khiển sử dung 8 điốt tác động nhanh. Mạch điện sủ dụng các điện trở RS1 và RS2 có chức năng là điện trở cảm biến dòng điện. Khi dòng điện lớn chạy qua RS sinh ra điện áp lớn hơn điện Vref thì flip-flop bên trong L297 sẽ Reset, cấm đầu ra cho đến khi có xung tiế theo từ bộ dao động. Bộ dao động RC cấp xung cho flip-flop thông qua chân 16(L297). L297 có đầu vào gồm: - Tín hiệu điều khiển đảo chiều quay: chân 17(CW/ CCW ). - tín hiệu Clock là tín hiệu điều khiển việc cấp xung cho cuộn dây. mỗi BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 38 - khi xuát hiện tín hiệu này thí trạng thái của cuộn dây sẽ thay đổi- chân 18 Clock - Tín hiệu điều khiển chế độ hoạt động của động cơ: cả bƣớc hay nửa bƣớc (HALF/ FULL ) chân 19. - tín hiệu Reset đƣa khối biến đổi về trạng thái gốc (0101). - tín hiệu ENABLE, tín hiệu này ở mức thấp thì tất cả các tín hiệu ra INH1, INH2, A, B, C và D ơ mức thấp. ENABLE dùng để cấm bộ công suất cấp điện cho động cơ khi khởi động. - Vref đƣợc nối với nguồn 5(V) tạo tín hiệu so sánh. L298 có 4 đầu ra cặp chân số (2 ,3) và cặp chân số (13,14) chúng sẽ cấp tín hiệu cho cuộn dây động cơ bƣớc. Mạch thiết kế theo nguyên tắc điều khiển Dòng-Áp bằng độ rộng xung. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ Ở CHẾ ĐỘ NỬA BƢỚC. Khi thực chế độ nửa bƣớc (HALF=1) tín hiệu đầu ra ở trên L297 và thì điện áp xuất hiện trên các cuộn dây động cơ bƣớc nhƣ sau: BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 39 - Dạng điện áp trên các cuộn dây của động cơ bươc khi hoạt động chế độ nửa bươc khi không ở trang thái chopping. Khi ở dạng chopping thì dạng điện áp và dòng điện ở mỗi cuộn pha ở chế độ nƣa bƣớc có dạng nhƣ sau: Dạng dòng điện và điện áp pha A khi chopping. Nhận xét: Mỗi lần pha A xuất hiện tín hiệu thì động cơ sẽ dịch chuyển đƣợc ba bƣớc. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ CHẾ ĐỘ CẢ BƢỚC : BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 40 - Khi đó chân HALF/fULL=0; dạng tín hiệu đầu ra ở L297 và điện áp trên các cuộn dây khi không có chopping có dạng nhƣ sau: Dạng điện áp ở chế độ cả bước khi không có chopping của các cuộn dây. Tín hiệu dòng điện và điện áp xuất hiện trên pha A có dạng nhƣ sau BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 41 - Tín hiệu điện áp và dòng điện pha A khi co chopping. Nhận xét : Với mỗi tín hiệu phát ra ở xung A thì động cơ sẽ dịch chuyển đƣợc một gớc bƣớc. PHỤ LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 PHẦN I: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CNC. 2 PHẦN II: GIỚI THIỆUC CNC CYBER-MILL. 6 PHẦN III: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƢỚC. 8 PHẦN IV :GIỚI THIỆU VỀ VI MẠCH L297 VÀ L298 VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BỨƠC. 20 BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP - 42 -