Lời Nói Đầu Ngày sống hàng ngày thường xun gặp mơ hình động bước Như nhà máy xí nghiệp phương tiện lao động: máy phân loại sản phẩm, máy nâng công cụ, cánh tay robot Như nói động bước vai trị quan trọng sống lao động sản xuất Do phát triển ngày mạnh mẽ kỹ thuật điện tử nên thiết bị sử dụng bước có bước phát triển nhảy vọt Việc ứng dụng kỹ thuật điện tử với thiết bị đại làm cho hệ thống dây truyền ngày hoạt động tốt khả tự động hoá cao Sự xuất động bước góp phần thúc đẩy phát triển, nghiên cứu, đào tạo ngành tự động hoá nước ta tiếp thu khoa học kỹ thuật đại nhằm tăng khả sản xuất,tăng chất lượng,đồng thời tiết kiệm chi phí cho việc thuê nhân công làm suất sản phẩm tăng lên Chính việc tạo hệ thống dây truyền có sử dụng bước tạo nên thuật tiện điều khiển chúng dể dàng việc làm vô xác thực Qua chúng em chọn đề tài “Điều khiển động bước” để tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng áp dụng vào thực tế điều khiển Trong trình làm Đồ án Vi điều khiển, nổ lực thân giúp đỡ vô nhiệt tình thầy giáo TS.Đặng Phước Vinh để chúng em hoàn thành tốt học phần Tuy nhiên kiến thức khả cịn có hạn nên khó tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn sinh viên để đồ án chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm sinh viên thực Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước Mục lục Chương 1: Tổng quan điều khiển động bước 1.1 Động bước 1.1.1 Cấu tạo động bước 1.1.2 Các phương pháp điều khiển động bước 1.2 Ưu, nhược điểm ứng dụng động bước Chương 2: Thiết kế phần cứng 2.1 Giới thiệu vi điều khiển Pic16f877a 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.1.1 Pic 2.1.1.2 Đặc điểm Pic 2.1.1.3 Các loai chip Pic 2.1.1.4 Trình biên dịch ccs 2.1.2 Tổng quan Pic16f877a 2.1.2.1 Giới thiệu vi điều khiển Pic16f877a 2.1.2.2 Sơ đồ chân chức chân Pic16f877a 10 2.1.2.2.1 Sơ đồ chân 10 2.1.2.2.2 Chức chân 10 2.1.2.3 Các đặc tính ngoại vi 14 2.1.2.4 Giao tiếp USART 15 2.1.2.4.1 Khái niệm 15 2.1.2.4.2 USART đồng 16 2.1.2.4.3 USART bất đồng 16 2.1.2.4.4 Cấu trúc ghi 16 2.1.2.5 Giao tiếp UART 20 2.2 Giới thiệu driver TB6560 điều khiển động bước 20 2.2.1 Giới thiệu chung 20 2.2.2 Cấu trúc modul điều khiển động bước TB6560 21 2.2.2.1 Sơ đồ khối 21 2.2.2.2 Chức khối 21 2.2.2.2.1 Khối nguồn 21 2.2.2.2.2 Khối cách ly quang 21 2.2.2.2.3 Khối tín hiệu điều khiển 21 2.2.2.2.4 Khối thiết lập chế độ 22 2.2.2.2.5 Khối driver động 22 2.2.3 Sơ đồ ghép nối với mạch điều khiển 22 2.3 Thiết kế mạch điều khiển sơ đồ nguyên lý mạch 23 Chương 3: Thiết kế xây dựng chương trình điều khiển 25 3.1 Yêu cầu thiết kế 25 SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước 3.2 Tính tốn thơng số 25 3.3 Lưu đị thuật tốn 26 Chương 4: Kết luận hướng phát triển đề tài 42 4.1 Kết luận 42 4.2 Hướng phát triển đề tài 43 Tài liệu tham khảo 45 Phụ Lục 46 SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1 Động bước 1.1.1 Cấu tạo đông bước a) Nguyên lý cấu tạo Cấu tạo nguyên lý hoạt động động bước có đặc điểm khác với động điện chiều xoay chiều mà biết Động bước có nhiệm vụ dịch chuyển tải góc, đưa tới cuộn dây chúng xung điện Động bước có nhiều loại khác nhau, phổ biến loại động có roto nam châm vĩnh cửu Hình 1.1: Cấu tạo động bước [1] Khi điều khiển động bước, điện áp điều khiển cấp theo cuộn dây stator riêng biệt hay tổ hợp cuộn dây Mỗi cuộn dây cấp điện sinh sức từ động, chiều sức từ động phụ thuộc vào chiều điện áp cấp vào Vị trí roto phụ thuộc vào chiều suất từ động tổng Để tăng số bước động cơ, cần phải tăng số cuộn dây stato tăng số cặp cực Việc tăng số cuộn dây stato gặp nhiều khó khăn, làm cho kích thước động tăng, việc điều khiển trở nên phức tạp Vì vậy, thực tế người ta thường chế tạo động có số lượng pha thường 2, 4, pha Trong loại pha pha thơng dụng Việc tăng số bước động giải cách tăng số cặp cực roto Roto động bước chế tạo thành nhiều cặp cực, vật liệu có độ từ hóa cao chịu momen tải lớn Người ta thường chế tạo động bước có góc bước khoảng 0,450 – 150, tùy vào mục đích sử dụng Thơng dụng loại động có góc bước 1,80 (Tương ứng 200 xung cho vòng quay 3600) [2] SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước b) Phân loại động bước Động bước chia làm loại là: • Động bước nam châm vĩnh cữu: Có cấu tạo stato dạng hình móng từ hóa N, S xen kẽ nhau; roto nam châm vĩnh cửu Hình 1.2: Cấu tạo động bước nam châm vĩnh cửu [3] • Động có từ trở thay đổi: Loại động có stato roto Roto làm vật liệu từ có từ trở thay đổi theo góc quay Mỗi stato roto cặp cực Mỗi cặp pha stato quấn thành hai cuộn dây nối tiếp đối xứng tâm Hình 1.3: Cấu tạo động bước biến từ trở SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước Ngoài hai loại kể trên, cịn có động bước hỗn hợp (động bước lai) có đặc trưng cấu trúc động nam châm vĩnh cửu động bước biến từ trở Stato roto có cấu tạo tương tự động bước biến từ trở số stato roto không Roto động bước thường có hai phần: phần nam châm vĩnh cửu gắn chặt lên trục động cơ, phần hai đoạn roto chế tạo từ thép non hai đoạn roto đặt lệch Hình 1.4: Cấu tạo động bước hỗn hợp [4] Ngoài cách phân loại trên, ta phân loại theo số cực động bước: • Động bước đơn cực: bao gồm động bước nam châm vĩnh cửu động bước loại hỗn hợp Các cuộn dây ln có đầu trung tâm nối từ cuộn dây • Động bước lưỡng cực: bao gồm động bước loại nam châm vĩnh cửu động bước biến từ trở Các cuộn dây khơng có đầu dây nối từ cuộn dây Hình 1.5: Phân loại theo số cực số dây động bước [5] SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước 1.1.2 Các phương pháp điều khiển động bước Để điều khiển động bước, người ta dùng bốn phương pháp sau: • Điều khiển dạng sóng (Wave Drive hay 1-phase On): kiểu full step, phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển theo thứ tự cho cuộn dây pha • Điều khiển kiểu 2-phase On: kiểu full step, phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho cuộn dây pha Với phương pháp ta moment lớn so với phương pháp kiểu 1-phase On • Điều khiển nửa bước(1-2 Phase On): Kiểu half step, phương pháp điều khiển kết hợp hai phương pháp Khi điều khiển phương pháp giá trị góc bước nhỏ hai lần số bước động tăng lên gấp đơi • Điều khiển vi bước(Microstep): Cho phép động bước quay góc bước nhỏ, độ xác cao Với cách điểu khiển động hoạt động êm a) b) c) Hình 1.6: Các phương pháp điều khiển động bước [6] a) Kiểu wave drive b) Kiểu 2-phase On c) Kiểu 1-2 phase On SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước 1.2 Ưu, nhược điểm ứng dụng động bước a) Ưu điểm Một số ưu điểm động bước là: ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ Giá thành khơng q đắt Có thể điều khiển vịng hở Duy trì moment tốt Moment xoắn cao tốc độ thấp Chi phí bảo dưỡng thấp Có khả định vị vị trí b) Nhược điểm Bên cảnh ưu điểm kể trên, động bước có nhược điểm như: ✓ ✓ ✓ ✓ Động làm việc không đặc biệt tốc độ thấp Làm việc ồn (ở chế độ full step tốc độ thấp) Moment giảm theo tốc độ Khơng có phản hồi nên xảy tượng trượt bước, bước c) Ứng dụng Với đặc điểm ưu điểm mình, động bước ứng dụng nhiều cơng nghiệp Chúng ứng dụng thiết bị cần điều khiển xác như: Điều khiển robot, điều khiển thiết bị gia công cắt gọt, chu trình sản xuất tự động, ứng dụng học tập, nghiên cứu,… SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước Chương 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.1.1 PIC gì? - PIC viết tắt “Programable Intelligent Computer”, tạm dịch “máy tính thơng minh khả trình” hãng General Instrument đặt tên cho vi điều khiển họ - PIC1650 thiết kế dùng để làm thiết bị ngoại vi cho điều khiển CP1600 Vi điều khiển sau nghiên cứu phát triển thêm từ hình thành nên dịng vi điều khiển PIC ngày - PIC sản xuất công ty Microchip Technology 2.1.1.2 Đặc điểm PIC - Có thể tìm mua dễ dàng thị trường Việt Nam - Giá thành không cao - Có đầy đủ tính VĐK hoạt động độc lập - Số lượng người dùng lớn => Số lượng tài liệu lớn, mã nguồn mở, dễ dàng trao đổi học tập, thảo luận - Sự hổ trợ nhà sản xuất trình biên dịch, cơng cụ lập trình, nạp chương trình… - Các tính đa dạng VĐK cập nhật 2.1.1.3 Các loại chip PIC PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước C: PIC có nhớ chương trình EPROM( có 16C84 EEPROM) F: PIC có nhớ chương trình flash LF: PIC có nhớ chương trình flash hoạt động điện áp thấp LV: tương tự LF, tín hiệu cũ - Bên cạnh đó, số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx nhớ chương trình EEPROM, có thêm chữ A cuối nhớ chương trình flash (ví dụ: PIC16F877 EEPROM, cịn PIC16F877A flash) 2.1.1.4 Trình biên dịch CCS - Kế thừa tất đặc điểm ngôn ngữ C – ngôn ngữ bản, quen thuộc mà sinh viên đào tạo - Xây dựng sẵn hàm phục vụ cho việc sử dụng dễ dàng khối chức đặc biệt Vi điều khiển PIC như: ADC, PWM, RS232, SPI - Có khả kết hợp với ngôn ngữ hợp ngữ, tạo mềm dẻo phát triển ứng dụng - Khả phát triển, nâng cấp ứng dụng dễ dàng - Ngày cập nhật với nhiều tính ưu việt hiệu 2.1.2 Tổng quan PIC 16F877A 2.1.2.1 Giới thiệu - Thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit - Tất lệnh chu kỳ máy, ngoại trừ chương trình chu kỳ máy - Một chu kỳ lệnh vi điều khiển bào gồm xung clock (sử dụng thạch anh 4MHz => Xung lệnh có tần số 1MHz(1µs) ) - Bộ nhớ chương trình flash với dung lượng 8K x 14 bit, với khả ghi/xóa 100000 lần - Bộ nhớ liệu RAM: 368 type SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước output_low(PULSE_1); set_timer1(Off_delay); } else { output_high(PULSE_1); set_timer1(On_delay); } Dem++; TMR1IF=0; } //… void QuayNghich() { output_low(ENB_1); delay_ms(60); output_high(DIR_1); delay_us(10); } //… void QuayThuan() { output_low(ENB_1); delay_ms(60); output_low(DIR_1); delay_us(10); } //… void Stop() { set_tris_c(0b11000110); // Tat chan tao xung Delay_ms(60); output_high(ENB_1); // Tat driver } //… void Quay() { set_tris_c(0b11000000); enable_interrupts(INT_TIMER1); } //… void ViTri() { if(GocQuay_1>0) SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh 38 Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước { QuayThuan(); } else { QuayNghich(); GocQuay_1 = -GocQuay_1; } SoXung = ViBuoc*ceil((GocQuay_1)/1.8); // Tính so xung tu goc quay set_tris_c(0b11000000); output_high(PIN_C2); check = 1; Dem=1; // Thiet lap timer1 Setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); set_timer1(On_delay); enable_interrupts(GLOBAL); enable_interrupts(INT_TIMER1); while(Dem0) { QuayThuan1(); } else { QuayNghich1(); GocQuay_1 = -GocQuay_1; } if(GocQuay_2>0) { QuayThuan2(); } SVTH: Nguyễn Thịnh Nguyễn Quốc Thanh Giao GVHD: Đặng Phước Vinh 48 Đồ án vi điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động bước else { QuayNghich2(); GocQuay_2 = -GocQuay_2; } if(GocQuay_3>0) { QuayThuan3(); } else { QuayNghich3(); GocQuay_3 = -GocQuay_3; } SoXung1 = ViBuoc*ceil((GocQuay_1)/1.8); // Tính so xung tu goc quay SoXung2 = ViBuoc*ceil((GocQuay_2)/1.8); // Tính so xung tu goc quay SoXung3 = ViBuoc*ceil((GocQuay_3)/1.8); // Tính so xung tu goc quay SoXung = SoXung1; if(SoXung2>SoXung) { SoXung = SoXung2; } if(SoXung3>SoXung) { SoXung = SoXung3; } set_tris_c(0b11000000); set_tris_b(0); output_high(PIN_C2); output_high(PIN_C1); output_high(PIN_B4); check = 1; Dem=1; // Thiet lap timer1 setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); set_timer1(On_delay); enable_interrupts(GLOBAL); enable_interrupts(INT_TIMER1); while(Dem