Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP
HOÀNG TRỌNG DIỄN
NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA
TS. CAO XUÂN TUYỂN
PHÒNG ĐÀO TẠO
THÁI NGUYÊN

ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Hoàng Trọng Diễn học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ thuật
điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều
khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi” dưới sự
hướng dẫn của TS. Cao Xuân Tuyển là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả
các tài liệu tham khảo đều được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài
lệu nào khác mà không được ghi trong danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề cương
và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

iii
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn
tận tình của thầy TS. Cao Xuân Tuyển, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và nâng
cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp
điều khiển thích nghi” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Cao Xuân Tuyển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học
Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập.
Tác giả
Hoàng Trọng Diễn

iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................................ iii
MỤC LỤC..........................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI .............................x
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG I: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC..............2
1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo .............................................2
1.1.1. Giới thiệu.................................................................................................2
1.1.2. Các loại đông cơ bước.............................................................................3
1.1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu ................................................4
1.1.4. Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance) ......................................5
1.1.5. Động cơ bước lai (Hybrid)......................................................................6
1.2. Ứng dụng của động cơ bước ......................................................................7
1.3. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước .............................7
1.3.1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực .........7
1.3.2. Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ
bước đơn cực...................................................................................................15
1.3.3. Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ vị trí và đảo chiều động cơ bước...........24
1.3.4.Kết luận........................................................................................................................................ 28
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC30
2.1. Mô hình toán học động cơ bước ..............................................................30
2.2. Bộ điều khiển vị trí hệ hở.........................................................................33
2.3.Tổng quan về phàn cứng của vi xử lý TMS 320 F2812 ...........................34
2.3.1. Giới thiệu chung về vi xử lý TMS 320 F2812......................................34
2.3.2. Phần cứng của vi xử lý F2812...............................................................37

v
2.3.3. Sơ đồ chức năng của vi xử lý TMS320F2812 ......................................38
2.4. Động cơ bước đơn cực (unipolar)............................................................48
2.5. Mạch động lực điều khiển động cơ bước.................................................48
2.5.1. Động cơ bước đơn cực ..........................................................................48
2.5.2. Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước ............................................51
2.6. Thiết kế phần mềm cho động cơ bước dùng vi xử lý TMS320F2812.....52
2.6.1. Mã ccs (ex 24 ) của chế độ bước đủ 2 pha on.......................................52
2.6.2. Mã ccs của chết độ bước đủ 1 pha on ...................................................54
2.6.3 Mã ccs của chét độ nửa bước.................................................................55
2.6.4 Chế độ vi bước. ......................................................................................56
2.7. Thao tác với chương trình dịch Ccstudio.................................................58
2.7.1. Màn hình khởi động chương trình. .......................................................58
2.7.2. Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 .......................58
2.7.3 Mở Project..............................................................................................59
2.7.4. Dịch chương trình. ................................................................................60
2.7.5. Nạp mã chương trình vào bộ nhớ..........................................................61
2.7.6. Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước..................................62
2.8. Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM.............................................62
2.8.1. Sơ đồ mạch phần cứng..........................................................................62
2.8.2. Phần mềm điều khiển hệ thống.............................................................64
2.9. Thiết kế bộ điều khiển hệ kín gồm bộ điều khiển dòng điện phi tuyến
Backstepping và bộ điều khiển vị trí PID mờ cho động cơ PMSM................69
2.9.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ kín, sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối mạch
phần cứng cho hệ thống điều khiển PMSM....................................................69
2.9.2. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping mạch vòng điều khiển vị trí động
cơ PMSM.........................................................................................................71
2.9.3. Thiết kế bộ điều chỉnh thành phần Iq....................................................75
2.9.4. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi Backstepping mạch vòng điều khiển
vị trí động cơ PMSM.......................................................................................77

vi
2.9.5.Kết luận........................................................................................................................................ 79
CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN...............81
3.1. Kết quả mô phỏng trong MATLAB.........................................................81
3.1.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống kín ...............................................................81
3.2. Kết quả thí nghiệm...................................................................................85
3.2.1. Mô hình thí nghiệm...............................................................................85
3.2.2. Kết quả thí nghiệm................................................................................86
3.3 Kết luận .....................................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................. 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................90

vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ Tên hình vẽ Trang
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước 3
Hình 1.2 Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu 4
Hình 1.3 Mặt cắt ngang của động cơ bước từ kháng 6
Hình 1.4 Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai 6
Hình 1.5 Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipola 7
Hình 1.6 Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar 8
Hình 1.7 Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu 9
Hình 1.8 Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung 10
Hình 1.9 Dạng xung trong dây quấn 10
Hình 1.10 Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây 11
Hình 1.11 Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung 11
Hình 1.12 Dạng xung của chế độ 2 pha on 12
Hình 1.13 chế độ hoạt động nửa bước 12
Hình 1.14 Giản đồ xung cấp cho các cuộn dây 14
Hình 1.15 Pha của dòng điện ở chế độ vi bước 14
Hình 1.16 Mạch động lực động cơ bước đơn cực 15
Hình 1.17 Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar 15
Hình 1.18 Sơ đồ nguyên lí nối dây 16
Hình 1.19 Giản đồ của động cơ bước đơn cực ở chế độ bước đủ 1 pha 17
Hình 1.20 Chế độ hoạt động bước đủ 1 pha ở động cơ bước đơn cực 18
Hình 1.21 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước đủ 2 19
pha
Hình 1.22 Chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc ở động cơ bước đơn cực 20
Hình 1.23 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ nửa bước 21
Hình 1.24 Chế độ hoạt động nửa bước của động cơ bước đơn cực 22
Hình 1.25 Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước 23
Hình 1.26 Giản đồ tần số xung cấp cho cuộn dây 24

viii
Hình 1.27 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay thuận 26
Hình 1.28 Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay ngược 28
Hình 2.1 Cấu trúc động cơ PMSM 31
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí hệ hở động cơ bước 33
Hình 2.3 Sơ đồ 176 chân của vi xử lý TMS320F2812 37
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của vi xử lý TMS320F2812 38
Hình 2.5 Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ 48
Hình 2.6 Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước 49
Hình 2.7 Sơ đồ mạch lực cho động cơ bước đơn cực 50
Hình 2.8 Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước lưỡng cực 51
Hình 2.9 Sơ đồ kết nối động cơ bước đơn cực với TMS320 52
Hình 2.10 Màn hình khởi động chương trình 58
Hình 2.11 Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812 58
Hình 2.12 Mở Project 59
Hình 2.15 Dịch chương trình 60
Hình 2.16 Dịch chương trình 61
Hình 2.17 Mã nạp chương trình vào bộ nhớ 61
Hình 2.18 Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước 62
Hình 2.19 Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng 62
Hình 2.20 Cấu trúc của Encoder và các xung đầu ra của nó 63
Hình 2.21 Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID 63
Hình 2.22 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hệ kín cho PMSM 64
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng 69
Hình 2.24 Sơ đồ khối mạch phần cứng hệ thống điều khiển vị trí PMSM 70
Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí phi tuyến Backstepping 71
Hình 2.26 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển thành phần dòng phi tuyến 75
Backstepping Id

ix
Hình 2.27 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển vị trí thích nghi phi tuyến 76
Backstepping
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 80
Hình 3.2 Sơ đồ chi tiết mạch kín 81
Hình 3.3 Quỹ đạo đặt của vị trí góc rotor 81
Hình 3.4 Sự thay đổi hệ số ma sát của động cơ trong quá trình làm 82
việc
Hình 3.5 Vị trí góc thực của động cơ 82
Hình 3.6 Sai lệch vị trí với bộ điều khiển thích nghi phi tuyến 82
Backstepping và bộ điều khiển phi tuyến Backstepping
Hình 3.7 Tốc độ của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích nghi phi 83
tuyến Backstepping và phi tuyến backstepping
Hình 3.8 Mô men của động cơ với nhiễu loạn ngẫu nhiên 83
Hình 3.9 Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín thích 84
nghi phi tuyến Backstepping
Hình 3.10 Dòng điện pha của động cơ với bộ điều khiển hệ kín phi 84
tuyến Backstepping
Hình 3.11 Kết nối máy tính, máy hiện sóng và TMS320 85
Hình 3.12 Đối tượng điều khiển 85
Hình 3.13 Adapter chuyển đổi giao tiếp USB – JTAG và Bo mạch 85
TOP2812
Hình 3.14 Vị trí thực của rotor với hệ điều khiển mạch kín PID và hệ 86
điều khiển mạch hở
Hình 3.15 Các tín hiệu ra của Encoder và dòng điện pha của động cơ 87

x
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI
Controller
VR
Hybrid
Bipola
Uniporla
PMSM
PID
: Bộ điều khiển
: Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance)
: Động cơ bước lai
: Động cơ bước lưỡng cực
: Động cơ bước đơn cực
: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ
phân, đạo hàm)
lệ, tích

1
MỞ ĐẦU
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 nghành Tự động hóa,
chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác như điều khiển
rô bốt, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển bắt... Do vậy động
cơ bước phải được điều chỉnh tốc độ để phù hợp trong quá trình sản xuất.
Với những điều kiện cụ thể của từng ứng dụng như vậy thì điều khiển
tốc độ động cơ bước là một yêu cầu cần thiết của máy sản xuất.
Từ những yêu cầu trên, đề tài luận văn của tôi sẽ nghiên cứu hệ điều khiển
vị trí của động cơ bước, đồng thời nâng cao chất lượng của hệ điều khiển. Với
cách đặt vấn đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Nghiên
cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử
dụng phương pháp điều khiển thích nghi”
Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, các phương pháp điều khiển và
ứng dụng của động cơ bước
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ bước
Chương 3: Mô phỏng, thí nghiệm và kết luận
Thái Nguyên, ngày tháng năm
2018
Tác giả luận văn
Hoàng Trọng Diễn

2
CHƯƠNG I:
CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
1.1. Các loại động cơ bước và nguyên lý cấu tạo
1.1.1. Giới thiệu
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các
tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung rời rạc kế tiếp nhau thành chuyển
động của roto và có khả năng định vị roto ở các vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc là nhờ các bộ chuyển mạch điện đưa các tín
hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số
góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay
và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển
đổi. Khi một xung điện áp đặt vào stator của động cơ bước thì rotor động cơ
sẽ quay một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các
xung điện áp đặt vào các cuận dây stator thay đổi liên tục thì rotor sẽ quay
liên tục (nhưng chuyển động ấy vẫn là theo các bước rời rạc)
Trong khi động cơ một chiều không chổi than có rotor thường là nam
châm vĩnh cửu (số đối cực 2p=2) và cần có một cảm biến vị trí rotor (để thực
hiện chức năng tạo ra các tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ
tự đổi chiều) thì động cơ bước rotor dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều
cấu thành các cặp năm châm N-S xen kẽ nhau để tạo thành các cặp cực lớn
hơn và không cần có bộ cảm biến vị trí rotor. Có thể điều khiển dòng 1 chiều
vào cuộn dây stator để có từ trường quay liên tục nên động cơ 1 chiều không
chổi than quay liên tục. Đối với động cơ bước vì từ trường quay không liên
tục do các xung điện cấp vào các cuộn dây stator rời rạc nên rotor quay theo
các bước.

3
Giống như động cơ đồng bộ tốc độ thấp công suất nhỏ động cơ bước có
các bối dây tạo thành các pha trên stator, đồng thời trên cả stator và rotor đều
có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Động cơ đồng bộ
thì cần dòng diện kích thích để tạo từ trường kích thích, còn động cơ bước thì
không cần yếu tố này.
Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là thiết bị số mà ở
đó các thông tin số hóa đã thiết lập sẽ được chuyển thành các bước quay của
động cơ. Động cơ bước sẽ thực hiên các lệnh đã số hóa từ máy tính.
Một hệ thống động cơ bước thường có sơ đồ khối như sau:
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước
Bộ điều khiển (Controller) sẽ tạo ra xung, mạch điều khiển động cơ
bước (Driver) nhận các xung tạo ra các xung với công xuất cần thiết cấp cho
các cuộn dây của động cơ. Động cơ là khâu cuối cùng biến đổi các xung điện
tạo ra mô men quay. Sau đây sẽ có cái nhìn tổng quan về động cơ bước.
1.1.2. Các loại đông cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ có cấu tạo 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 xung điện rời rạc kế
tiếp nhau thành chuyển động quay với góc quay tỉ lệ với số xung đư vàu các
cuộn dây stator.
Về cấu tạo động cơ bước được coi là tổng hợp của 2 loại động cơ:
Động cơ một chiều không chổi than và động cơ đồng bộ công suất nhỏ, tốc độ

4
quay của rotor động cơ bước phụ thuộc vào tần số của xung cấp cho các cuộn
dây stator, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự các cuộn dây được cấp xung.
Động cơ bước gồm có ba loại chính:
- Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
- Động cơ bước từ kháng
- Động cơ bước lai
1.1.3. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
Động cơ bước hoạt động trên cơ sở tương tác giữa các nam châm vĩnh
cửu ở phía rotor và từ trường của các cuộn dây stator. Hình vẽ sau cho thấy
một sơ đồ điển hình động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor là các nam
châm vĩnh cửu còn stato là các cuộn dây. Rotor sẽ chuyển động khi cuộn dây
stator nhận được xung điện khi nó sinh ra từ trường để tương tác với từ trường
của rotor làm rotor quay
Hình 1.2. Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu
*Stator
Hai bộ phận chính của stator là lõi thép (mạch từ) và dây quấn.
- Lõi thép làm bằng các lá thép kĩ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại với
nhau thành hình trụ rỗng, mặt trong của lá thép có phay rãnh để đặt dây quấn.
- Trong rãnh đặt dây quấn có thể là dây quấn 2 pha, ba pha, 4 pha hoặc
5 pha. Dây quấn của động cơ thường là dây đồng, có tiết diện hình tròn hoặc
chữ nhật. Dây quấn được chia thành nhiều pha, mỗi pha có một tổ bối dây,

5
mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và được lồng vào cực từ của stator.
Phía ngoài stator có vỏ bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm, hai đầu
stator có hai nắp làm bằng cùng vật liệu với vỏ và bắt chặt vào vỏ. Trên nắp
máy có lắp ổ trục để đỡ trục quay của rotor.
*Rotor
Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có cấu tạo thường không
có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) và
được lồng vào phía trong của Stator. Rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ có cực
tính xen kẽ nhau xen kẽ nhau.
Các góc bước thường là 1,8
o
; 7,5
o
; 30
o
; 45
o
; và 90
o
. 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 tốt hơn. Hạn chế của loại động cơ này là
có mô-men xoắn tương đối thấp được sử dụng khi yêu cầu tốc độ thấp.
1.1.4. Động cơ bước từ kháng (Variable Reluctance)
Động cơ bước từ kháng (VR) về cơ bản khác với động cơ bước nam
châm vĩnh cửu (PM) ở chỗ, rotor của nó không dùng nam châm vĩnh cửu, có
cấu tạo như rotor động cơ đồng bộ, nhưng không có dây quấn kích thích và
do đó không có mô-men để giữ rotor khi dừng. Startor có cấu tạo tương tự
như động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Rotor được chế tạo từ các vật liệu sắt
từ mềm có các răng và rãnh. Khi cuộn dây stator được cung cấp điện các
răng của rotor xếp thẳng hàng với các cực của stator, khi stator không được
cấp năng lượng không có từ trường trong khe hở không khí giữa stator và
rotor vì vậy không có mô men tương tác giữa stator và rotor , mỗi khi stator
được cấp năng lượng thì rotor sẽ chuyển đến vị trí mới.

6
Hình 1.3. Mặt cắt ngang của động cơ bước từ kháng
Ở động cơ được thể hiện trong hình trên, rotor có bốn răng chúng cách
nhau 90 độ và startor có 6 cực . Vì vậy, khi các cuộn dây được cung xung thì
mỗi bước động cơ sẽ quay một góc 30 độ.
1.1.5. Động cơ bước lai (Hybrid)
Động cơ bước lai được thực hiện bằng cách kết hợp giữa động cơ
bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước từ kháng. Mô-men chủ yếu được
tạo ra trong động cơ lai là do tương tác giữa từ trường của nam châm vĩnh
cửu và từ trường sinh ra bởi các cuộn dây stator.
Hình 1.4. Sơ đồ mặt cắt ngang của động cơ bước lai
Cấu trúc stator tương tự như động cơ bước nam châm vĩnh cửu, và
rotor là hình trụ và từ hóa như động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM) với

7
răng rãnh giống như một động cơ bước từ kháng(VR). Điều này dẫn đến mô
men của động cơ bước lai lớn hơn mô men của hai loại động cơ trên.
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước lai được dùng phổ
biến hơn so với động cơ bước từ kháng.
Trong phạm vi đồ án này chỉ tập chung vào nghiên cứu điều khiển động
cơ bước Nam Châm Vĩnh Cửu bao gồm động cơ đơn cực và lưỡng cực.
1.2. Ứng dụng của động cơ bước
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa 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 trong các
hệ quan trắc, điểu khiển bắt, 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..
1.3. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước
1.3.1. Nguyên lí mạch động lực và điều khiển động cơ bước lưỡng cực
Hình 1.5. Cấu tạo dây quấn động cơ bước bipolar
Trong hình vẽ trên chúng thấy rằng các đầu 1-2, và 3-4 được nối vào
hai cặp cầu khác nhau còn các đầu A nối với C, B nối với D được nối tại phía
trong của động cơ

8
1.3.1.1. Sơ đồ mạnh động lực động cơ bước lưỡng cực (Bipola).
a) Sơ đồ sử dụng 2 mạch cầu.
Hình 1.6. Sơ đồ mạch cầu dùng transistor bipolar
Các transistor từ Q1- Q4 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy
qua cuộn dây 1. Khi có tín hiệu điều khiển từ A1 và C1, Q1và Q4 dẫn dòng
chạy từ nguồn qua Q1 qua cuộn dây rồi qua Q4 về mát . Khi có tín hiệu điều
khiển từ B1 và D1, Q2 và Q3 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q3 qua cuộn dây
rồi qua Q2 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng ngược lại.
Các transistor từ Q5- Q8 tạo thành cặp cầu thứ nhất tạo dòng điện chạy
qua cuộn dây của động cơ. Khi có tín hiệu điều khiển từ A2 và C2 thì Q5 và
Q8 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q5 qua cuộn dây rồi qua Q8 về đất. Khi có
tín hiệu điều khiển từ B2 và D2, Q6 và Q7 dẫn dòng chạy từ nguồn qua Q7
qua cuộn dây rồi qua Q6 về đất trong rường hợp này dòng chạy theo hướng
ngược lại. Như vậy căn cứ vào dạng xung từ mạch điều khiển đưa vào đầu
vào của các mạch cầu dòng qua các cuộn dây sẽ thay đổi phù hợp với các chế
độ cho động cơ bước

9
b) Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu
Hình 1.7. Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh nửa cầu Khi
T1 và T4 được cấp xung, cuộn dây pha 1 được cấp xung dương và có dòng
chay qua theo chiều thuận, từ dương nguồn +V qua T1, qua cuộn dây
pha 1qua T4 về mát.
Ngược lại,khi T3 và T2 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung
âm và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua
cuộn dây pha 1 qua T2 về mát.
Khi T3 và T6 được cấp xung cuộn dây pha 1 được cấp xung âm và có
dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T3, qua cuộn dây
pha 2 qua T6 về mát.
Ngược lại, khi T5 và T4 được cấp xung cuộn dây pha 2 được cấp xung
dương và có dòng chay qua theo chiều ngược, từ dương nguồn +V qua T5,
qua cuộn dây pha 2 qua T4 về mát.

10
1.3.1.2. Nguyên lý điều khiển động cơ bước lưỡng cực (bipola)
a) Chế độ điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung
Hình 1.8. Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung
Nhìn trên hình vẽ chúng ta nhận thấy rằng khi pha A được cung cấp
xung thì rotor quay một góc 900
cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn
B. Tiếp theo khi pha C được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900
cực
nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn D. Tiếp theo khi pha B được cung
cấp xung thì rotor quay một góc 900
cực nam của rotor đối diện với vị trí của
cuộn A. Tiếp theo khi pha D được cung cấp xung thì rotor quay một góc 900
cực nam của rotor đối diện với vị trí của cuộn dây C . Như vậy qua một vòng
bốn bước vị trí của rotor quay lại vị trí ban đầu. ( cách dịch chuyển như vậy
người ta gọi là một pha ON)
Giản đồ xung để điều khiển các cuộn dây như sau:
Hình 1.9. Dạng xung trong dây quấn

11
Sơ đồ mô tả dòng diện chạy trong cuộn dây :
Hình 1.10. Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây
b) Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung
Nguyên lý: tại bước 1 khi cả hai pha A và B được cấp xung rotor sẽ
chuyển động một góc 900
và nó bị khóa chặt vào khoảng giữa pha A và B.
Tiếp theo cả hai pha được cấp xung, nhưng pha B đảo cực tính điện áp, rotor
sẽ chuyển động một góc 900
và nó bị khóa chặt vào khoảng không giữa pha A
và B. Tuần tự như vậy qua bốn bước rotor quay lại về vị trí ban đầu ( cách
dịch chuyển như vậy người ta gọi là hai pha ON).
Hình 1.11. Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung

12
Giản đồ xung trong chế độ 2 pha on
Hình 1.12. Dạng xung của chế độ 2 pha on
c) Chế động hoạt động nửa bước.
ROTOR 1
1
2
2
3
3
4
Dòng điện cuộn dây A + 0 - - - 0 + +
Dòng điện cuộn dây B + + + 0 - - - 0
PHASE A
PHASE A PHASE A
S
B
P
H
A
S
E
N
N ROTOR S
S
N
STEP 1
PHASE A
PHASE A
N
B
P
H
A
S
E
S
N
S
STEP 4
PHASE A
PHASE
B
PHASE
B
PHASE A
N
S
N
S
STEP 2
PHASE A
PHASE A
N
S
S
ROTORN
N
S
STEP 5
PHASE A
PHASEB
PHASEB
PHASE
B
PHASE
B
PHASE A
N
BPHASE
S
N
N
S
S
STEP 3
PHASE A
PHASE A
S NS
BPHASE
N
STEP 6
PHASE A
PHASE
B
S
B
P
H
A
S
E
P
H
A
S
E
B
S
B
P
H
A
S
E
N
N
N
S ROTOR
S
S
N N
STEP 7 STEP 8
PHASE A PHASE A
Hình 1.13. chế độ hoạt động nửa bước

13
Bước 1 ( step 1): Cả 2 pha được cấp điện với cực tinh như hình ở bước
1 roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của pha A được quay đi 1 góc 45 độ theo
chiều thuận kim đồng hồ.
Bước 2 ( step 2): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên
như bước 1 còn pha A thì không được cấp điện roto quay đi 1 góc 45 độ ở vị
trí thẳng với 2 cực của cuộn pha B
Bước 3 ( step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như
bước 2 pha A đước cấp điện với cực tính ngược lại với bước 1.Roto được
quay thêm 1 góc 45 độ nữa
Bước 4 ( step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực
tính được giữ nguyên như bước 3 roto quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 5 ( step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính
được giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực
tính ở bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 6. ( step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên
như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 độ nữa
Bước 7. ( step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên
cực tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5.
Roto quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 8 ( step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực
tính giữ nguyên như bước 7 roto lại quay thêm 1 góc 45 độ nữa .
Như vậy sau 8 bước thì roto đã quay được 1 vòng và trở về vị trí bạn
đầu của nó.
Chế độ hoạt động nửa bước : Ở chế độ này động cơ có thể di chuyển ở
các góc có độ phân giản gấp 2 lần ở 2 chế độ điều khiển bước đủ 1 pha và 2
pha.
Dấu “+” và dấu “-” được để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp
vào động cơ

14
Giản đồ xung điện áp cấp cho các cuộn dây:
Hình 1.14. Giản đồ xung cấp cho các cuộn dây
d) Chế độ điều khiển vi bước
Bước đủ và bước nửa bước trong hoạt động di chuyển động cơ bước có
xu hướng hơi giật, số bước di chuyển cũng có giới hạn bởi số lượng cực mà
các roto có thể có. Để khac phục điều này tức để roto chuyển động liên tục và
không bị giật, người ta sử dụng chế độ vi bước, ở đó bộ điều khiển sẽ cấp các
song dòng điện và điện áp hình Sin cho cuộn dây
Hình 1.15. Pha của dòng điện ở chế độ vi bước.

15
Hai sóng điện hình Sin trong hai pha lệch nhau một góc 90 độ điện,
tương tự dòng điện xoay chiều hai pha chạy trong dây quấn hai pha máy điện
xoay chiều. Từ trường được tạo ra là từ trường quay hai pha.
1.3.2. Sơ đồ nguyên lí mạch động lực và các nguyên lí điều khiển động cơ
bước đơn cực.
1.3.2.1. Sơ đồ mạch động lực động cơ bước đơn cực ( uniporla)
A
B
C D
Hình 1.16. Mạch động lực động cơ bước đơn cực
Dộng cơ bước đơn cực thường có 5 đầu ra :
B
C D
Hình 1.17. Cấu tạo các cuộn dây động cơ bước unipolar
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:
Để thuyết minh nguyên lý hoạt động của sơ đồ, ta lấy ví dụ động cơ
đơn cực có bốn cuộn dây A,B,C,D ở phia stator và rotor có hai cực, điều
khiển theo chế độ bước đủ với một pha được cấp xung tại một thời điểm.

16
Khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q1, không đưa xung
vào Q2, Q3 và Q4, Q1 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây A , rotor
quay đi một góc 90 độ.
Tiếp tục, khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q2, không
đưa xung vào Q1, Q3 và Q4, Q2 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây B
, rotor quay đi một góc 90 độ tiếp theo.
đưa xung vào Q1, Q2 và Q4, Q3 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây C
đưa xung vào Q1, Q2 và Q3, Q4 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây D
Sau 4 bước, rotor của động cơ quay được một vòng và trở về vị trí ban
đầu. Cứ tiếp tục như vậy, rotor động cơ lại tiếp tục quay cho tới khi ngừng
cung cấp xung cho các cuộn dây.
1.3.2.2. Nguyên lí điều khiển động cơ bước đơn cực unipolar
a) Chế độ điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung tại 1 thời điềm.
Hình 1.18. Sơ đồ nguyên lí nối dây

17
* Bảng xung điện áp
Step A B C D
1 1 0 0 0
2 0 1 0 0
3 0 0 1 0
4 0 0 0 1
* Giản đồ xung điện áp
Hình 1.19. Giản đồ của động cơ bước đơn cực ở chế độ bước đủ 1 pha Chế
độ bước đủ 1 pha : trong chế độ này chỉ có 1 cuộn dây được cấp xung điều
khiển ở chế độ này góc bước tương tự như ở chế độ đủ bước tuy
nhiên momen xoắn ít hơn đáng kể .

18
Hình 1.20. Chế độ hoạt động bước đủ 1 pha ở động cơ bước đơn cực
Bước 1 ( step 1): Ở chế độ này chỉ có 1 pha A duy nhất được cấp
điện với cực tính như hình vẽ ở bước 1, roto quay 1 góc 90 độ và ở vị trí
thẳng đứng.
Bước 2 ( step 2): Ở bước 2 dừng điện áp cấp cho pha A và cấp điện cho
pha B, với cực tính như hình vẽ ở bước 2, roto tiếp tục quay 1 góc 90 độ.
Bước 3 ( step 3): Bước 3 sẽ dừng cấp điện áp trên pha B thay vào đó sẽ
cấp điện cho pha C, roto lại trở về vị trí thẳng đứng. Tiếp tục quay roto với
góc 90 độ.
Bước 4 (step 4): Ở đây điện ap dừng cấp cho pha C và điện áp chỉ cấp
cho pha D , với cực tính như hình trên ở bước 4, roto tiếp tục quay 1 góc 90
độ.

19
Sau bước 4 roto đã quay được 1 vòng và trở lại vị trí ban đầu của nó.
b) Chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc
* Bảng xung điện áp cấp điện cho mỗi cuộn dây
Step A B C D
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1
* Giản đồ xung điện áp cấp điện cho các cuộn dây
Hình 1.21. Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước đủ 2 pha

20
Chế độ bước đủ 2 pha 1 lúc : Trong chế độ này chỉ có 2 cuộn dây được
cấp xung điều khiển đồng thời và theo thứ tự liên tiếp trong khi duy trì dòng
thay đổi. Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiển tương đương với 1 bước
Hình 1.22. chế độ bước đủ 2 pha cùng 1 lúc ở động cơ
bước đơn cực. Bước 1 ( step 1): Ở bước này chỉ có 2 cuộn
dây A và B được cấp điện
với cực tính như hình vẽ ở bước 1 , roto quay 1 góc 90 độ.
Bước 2 ( step 2): Ở bước này điện áp ngừng cấp cho cuộn dây A nhưng
vẫn duy trì điện áp ở cuộn dây B và lại tiếp tục cấp điện áp cho cuộn dây C,
roto lại tiếp tục quay 1 góc 90 độ.
Bước 3 ( step 3): Bước này lại ngừng cấp xung cho cuộn dây B và vẫn
duy trì cấp điện cho cuộn dây C, đồng thời lại cấp điện cho cuộn dây D, roto
lại quay 1 góc 90 độ.

21
Bước 4 ( step 4): Ở bước 4 ngừng cấp điện áp cho cuộn dây C duy trì
điện áp cấp cho cuộn dây D và lại cấp điện áp cho cuộn dây A, roto lại quay 1
góc 90 độ.
Sau 4 bước roto quay đủ 1 vòng và trở lại vị trí bạn đầu.
c) Chế độ nửa bước
* Bảng xung điện áp cấp cho mỗi cuộn dây
Step A B C D
½ 1 0 0 0
1 1 1 0 0
1 ½ 0 1 0 0
2 0 1 1 0
2 ½ 0 0 1 0
3 0 0 1 1
3 ½ 0 0 0 1
4 1 0 0 1
* Giản đồ xung điện áp.
Hình 1.23. Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ nửa bước.

22
Hình 1.24. Chế độ hoạt động nửa bước của động cơ bước đơn cực.
Bước 1 ( step 1): Ở bước 1 chỉ có duy nhất cuộn dây A được cấp điện
với cực tính như hình ở bước 1, roto quay 1 góc 45 độ theo chiều kim đồng hồ
và ở vị trí thẳng đứng.
Bước 2 ( Step 2): Lúc này điện áp được cấp thêm cho cuộn dây B và
vẫn giữ nguyên điện áp cấp cho A, với cực tính như hình trên ở bước 2 , roto
tiếp tục chuyển động thêm một góc 45 độ theo chiều kim đồng hồ.
Bước 3 ( Step 3): Tiếp tục ở bước 3 điện áp vẫn duy trì cấp cho B
nhưng lúc này lại dừng cấp cho A, roto tiếp tục chuyển động quay 1 góc 45 độ
và roto ở vị trí nằm ngang với các cực tính như ở bước thứ 3 trên hình.
Bước 4 ( step 4): Điện áp cấp cho B vẫn tiếp tục được duy trì nhưng

23
lúc này điện áp lại cấp thêm cho C với cực tính như hình vẽ ở bước 4. Roto
tiếp tục quay 1 góc 45 độ .
Bước 5 ( step 5): Ở bước năm dừng điện áp cấp vào B chi có duy nhất
cuộn dây C có điện, roto quay tiếp 1 góc 45 độ và roto lại ở vị trí thẳng đứng.
Bước 6 ( step 6): Bước 6 điện áp được cấp thêm cho D nhưng vẫn duy
trì điện áp cấp cho C, với cực tính như hình vẽ. Tiếp tục roto quay thêm 1 góc
45 độ nữa.
Bước 7 ( step 7): Ở đây dừng cấp điện áp cho C chỉ có 1 cuộn dây duy
nhất được cấp xung là D, roto tiếp tục quay thêm 1 góc 45 độ nữa roto lại ở vị
trí nằm ngang, với cực tính như hình vẽ.
Bước 8 ( step 8): Vẫn duy trì điện cấp vào B nhưng lúc này A lại được
cấp xung 1 lần nữa, roto tiếp tục chuyển động 1 góc 45 độ.
Sau bước 8 roto đã quay được 1 vòng và trở lại vị trí bạn đầu của nó.
d) Chế độ vi bước
Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước như sau:
Hình 1.25. Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước

24
Chế độ vi bước: Chế độ bước đủ và nửa bước có nhược điểm là động
cơ bị giật. Số bước di chuyển bị giới hạn bởi số cực của rotor. Để khắc phục
điều này ta sử dụng chế độ điều khiển vi bước.trong đó các xung đưa vào
cuộn dây được thay bằng các nửa sóng hình Sin với mục đích để tạo ra từ
trường quay tròn trong máy.
Chế độ vi bước thường được ứng dụng trong các trường hợp yêu cầu
định vị chính xác.
Ưu điểm sử dụng kỹ thuật vi bước như sau:
- Chuyển động ở tốc độ thấp.
- Tăng độ phân giải bước định vị như là kết quả của góc bước nhỏ hơn.
- Mômen xoắn cực đại ở cả hai mức bước thấp và cao.
Những hạn chế của kỹ thuật vi bước như sau:
- Nếu ma sát tĩnh trong hệ thống, độ chính xác góc bị hạn chế
- Chốt để chặn mô-men xoắn cần phải được khắc phục vì những đặc
tính không hình sin động cơ bước PM.
- Chi phí thực hiện
1.3.3. Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ vị trí và đảo chiều động cơ bước.
1.3.3.1. Nguyên tắc điều chỉnh tốc độ.
Thay đổi tần số xung cấp cho cuộn dây.
Ví dụ: Với pha A của động cơ bước đơn cực ở chế độ điều khiển 1 pha:
UNIPOLA MOTOR
T
t1 t0
wawe drive
A
B
C
D
Hình 1.26. giản đồ tần số xung cấp cho cuộn dây

25
Ta có công thức:
=
Để thay đổi tần số ta thay đổi chu kỳ bằng cách như sau :
+ Tăng hoặc giảm t1 và giữ nguyên giá trị của t0.
+ t1 và t0 cùng tăng hoạc cùng giảm cùng nhau.
* Chú ý
t1 chỉ thay đổi trong 1 khoảng cho phép vì nó ảnh hưởng đến momen
của động cơ bước,nếu t1 quá nhỏ không đủ momen quay động cơ
1.3.3.2. Nguyên lí điều chỉnh vị trí.
Nguyên lí được điểu khiển bằng số lượng xung cấp vào mỗi cuộn dây.
Cách tính góc bước:
Ví dụ :
Với điều khiển bước đủ 1 pha được cấp xung cho động cơ bước đơn
cực. Khi đưa đủ 4 xung vào 4 cuộn dây mỗi cuộn dây có 1 xung thì động cơ
quay được 4 bước ứng với góc quay là : 4 khi tăng số xung lên gấp 2 lần
thỳ sẽ quay đc 8

26
1.3.3.3. Nguyên tắc đảo chiều
Chiều quay của động cơ bước có thể thay đổi bằng cách đảo thứ tự các
cuộn dây được cấp điện .
Ví dụ dưới đây thể hiện sự đảo chiều quay của động cơ bước lưỡng cực
trong chế độ hoạt động nửa bước như lí thuyết đã trình bày.
Hình 1.27. Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay thuận.
* Quay thuận
Bước 1 ( step 1): Hình vẽ mô tả động cơ quay thuận. cả 2 pha được cấp
điện với cực tính như hình ở bước 1, roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của
pha A được quay đi 1 góc 45 độ theo chiều thuận kim đồng hồ.

27
Bước 3 (step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như
Bước 4 (step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực
Bước 5 (step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính được
giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực tính ở
bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 6 (step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên
như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 độ nữa
Bước 7 (step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên cực
tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5. Roto
quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 8 (step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực
đầu của nó.
* Quay ngược

28
PHASE A PHASE A PHASE A
S
S
N
ROTOR
S
N
PHASE
N
STEP 1
A
PHASEB
PHASE
B
S N S N
PHASE
B
B
P
H
A
S
E
STEP 2
PHASE A
S
N
S
ROTOR
N
S
PHASE
N
STEP 3
A
PHASEB
PHASE A PHASE A
N
PHASE A
N
S
N
S
PHASE A
PHASE
B
BPHASE
P
H
A
SE
B
STEP 4
PHASE A
S
N
N S
ROTOR
S
N
STEP 7
PHASE A
S
PHASE
B
N S
N
S
BPHASE
STEP 5
PHASE A
PHASE A
S
BPHASE
P
H
A
S
E
B
N
S
N
PHASE A
N
S
N
S
P
H
A
S
E
B
STEP 6
PHASE A
PHASEB
STEP 8
Hình 1.28. Động cơ bước lưỡng cực ở chế độ nửa bước quay ngược.
Bước 1 ( step 1): Hình vẽ mô tả động cơ quay ngược. cả 2 pha được cấp
điện với cực tính như hình ở bước 1, nhưng pha B được cấp xung với cực tính
ngược lại với chế độ quay thuận, roto đang từ vị trí thẳng với 2 cực của pha A
được quay đi 1 góc 45 độ theo chiều ngược kim đồng hồ.
Bước 3 (step 3): Pha B được cấp điện với cực tính giữ nguyên như

29
Bước 4 (step 4): Ngừng cấp điện pha B pha A được cấp điện với cực
Bước 5 (step 5): Cả 2 pha đều cấp điện trong đó pha A có cực tính được
giữ nguyên như bước 4 pha B được cấp xung có cực tính ngược với cực tính ở
bước 3 roto lại được quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 6. (step 6): Pha B được cấp điện với cực tính được giữ nguyên
như bước 5 pha A ngừng cấp điện roto quay thêm 45 đọ nữa
Bước 7. (step 7): Cả 2 pha được cấp điện trong đó pha B giữ nguyên
cực tính như bước 6 pha A được cấp xung áp với cực tính ngược với bước 5.
Roto quay thêm góc 45 độ nữa.
Bước 8 (step 8): Pha B ngừng cấp điện pha A được cấp điện với cực
đầu của nó.
1.3.4.Kết luận
Như vậy qua phân tích và tiến hành mô phỏng với chế độ vi bước của
động cơ hybrid (là sự kết hợp giữa động cơ bước phản kháng và động cơ nam
châm vĩnh cửu) làm mục iêu nghiên cứu. Đồng thời sử dụng sơ đồ đấu lưỡng
cực cho động cơ.

30
CHƯƠNG II:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC
2.1. Mô hình toán học động cơ bước
Trong bản luận văn này, ta xây dựng mô hình toán học cho động cơ
bước nam châm vĩnh cửu (PMSM), có hai pha dây quấn đặt ở stator và rotor
là nam châm vĩnh cửu, được mô tả như ở hình ( 2.1).
Áp dụng định luật Kiếc Hốp 2 cho mạch vòng cuộn dây stator thứ
nhấtcủa động cơ, ta có:
Va ia R
d a
(2.1)
dt
Trong đó:
Va – là điện áp đặt vào cuộn dây thứ nhất của động cơ (cuộn dây
a) R – lad điện trở cuộn dây
a - là từ thông móc vòng với cuộn dây a
Vì hai cuộn dây stator đặt lệch nhau trong không gian 900
điện, nên không
có hỗ cảm giữa hai dây quấn, nghĩa là hệ số hỗ cảm giữa hai dây quấn bằng
không. Do đó từ thông móc vòng với cuộn dây a được xác định như (2.2.2).
 a Lia m cosNrr (2.2)
Trong đó:
L – là hệ số tự cảm của dây quấn
m - là biên độ từ thông móc vòng của nam châm vĩnh cửu
Nr - là số răng của rotor
r - là vị trí góc rotor

31
Hình 2.1. Cấu trúc động cơ PMSM
Thay (2.2) vào (2.1), ta được:
Va ia Ra L
di
dta
 N r m r sinNrr
Từ (2.3), ta có:
dia

R
ia
N
r
m
r
sinNrr
Va
dt L R
L
Trong đó:
r
d
dt
r - là tốc độ góc của rotor.
(2.3)
(2.4)
Tương tự , ta xây dựng được phương trình mô hình toán học cho cuộn dây
thứ hai (cuộn dây b), đặt lệch pha 900
điện trong không gian so với cuộn dây thứ
nhất (cuộn dây a), với chú ý là từ thông móc vòng với cuộn dây b như sau:
 b Lib m sinNrr (2.5)
Với từ thông móc vòng với cuộn dây b như (2.5), tương tự như (2.4), ta
thành lập được phương trình sau:
dib

R
ib
N
r

m

r
cosNrr
V
b
(2.6)
dt L R
L

32
Tổng năng lượng điện từ của động cơ được xác định như sau [3]:
W=
1
Lia
2
 Lib
2
 m ia c osN r r m ib sinNrr (2.7)
2
Mô men điện từ Te của PMSM được xác định như sau:
TW N i sin

N  i cos

N (2.8)
e r r m a r r b r r
Áp dụng định luật hai Newton, ta có:
T B T J
d 2r
e v r L dt2
Trong đó:
Bv - là hệ số ma sát
TL – là mô men tải
J – là hằng số quán tính của phần quay
Từ (2.8) và (2.9), ta có các phương trình sau:
dr Nr   i sin


N 
B
v
 1 T
r
dt J m a r r b r r J J L
dr
dt r
Tóm lại, ta có hệ phương trình mô tả PMSM như sau:
dia

R
ia
N r mr
sinNrr
V
a
dt L L R
dib

R
ib
N r mr
cosNrr
Vb
dt L L R
dr Nr   i sin


N 
B
v
 1 T
r
dt J m a r r b r r J J L
dr
dt r
(2.9)
(2.10)
(2.11)
(2.13)
Sử dụng “Biến đổi Park”, còn được gọi là “ Biến đổi dq”, trong đó (d,q)
là hệ tọa độ quay với tốc độ quay của rotor. Trục d trùng với trục từ trường
nam châm vĩnh cửu, trục q vuông góc với trục d, ta có các phương trình sau:

33
 I d  cosN r r sinNrr ia 
    

I
q sinN r r cosNrr ib 
Và:
Vd  cosN r r sinNrrVa
  

 

V
q sinN r r cosNrrVb
(2.14)
(2.15)
Trong đó:
I d ,Vd - là thành phần dòng điện và điện áp trên trục d tạo ra từ trường stator.
I q ,Vq - là thành phần dòng điện và điện áp trên trục q tạo ra từ trường stator.
Khi đó mô hình toán học của PMSM (2.13) được viết dưới dạng ma
trận như sau:
 
 I d
 

I
q
 

 

 Vd RI d N r Lr I q/ L 
 


Vq RI q N r L r I d m/ L

(2.16)
 N r m I q BvTL/ J 




r

 
2.2. Bộ điều khiển vị trí hệ hở
Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí hệ hở động cơ bước thường có dạng
như hình 2.2
Máy tính PC
Micro
Processor
DRIVER MOTOR
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí hệ hở động cơ bước
Trong phần này, Micro Processor được sử dụng là Vi xử lý TMS 320
F2812, DRIVER là các transistor lưỡng cực và transistor trường để điều khiển
động cơ bước.

34
2.3.Tổng quan về phàn cứng của vi xử lý TMS 320 F2812
2.3.1. Giới thiệu chung về vi xử lý TMS 320 F2812
TMS320F2812 là thành viên của họ TMS320C28x ™ DSP, được tích
hợp cao, hiệu suất cao, là giải pháp cho các yêu cầu ứng dụng điều khiển.
C28x ™ DSP là thành viên mới nhất của nền tảng TMS320C2000 ™ DSP.
C28x là một công cụ rất hiệu quả của C/c + +, cho phép người dùng để phát
triển không chỉ hệ thống kiểm soát mềm bằng ngôn ngữ cấp cao, cũng cho
phép thực hiện thuật toán được phát triển bằng cách sử dụng C/C++.
Các đặc điểm cở bản của F2312
* Công nghệ Static CMOS
- Tần số xung nhịp 150MHz( chu kì lệnh 6,67ns)
- Tiêu thụ năng lượng thấp ( lõi vào 1,8V/ ra 3,3V)
- Điện áp lập trình 3,3V
* Hỗ trợ chuẩn JTAG
Họ F281x và C281x được tích hợp chuẩn JTAG IEEE 1149.1. Hơn
nữa, họ F281x và C281x hỗ trợ real – time chức năng modified bộ nhớ, ngoại
vi và vị trí thanh ghi bất cứ khi nào nhân xử lý đang chạy. F281x và C281x
tích hợp khả năng real – time trong phần cứng của CPU, đây là khả năng đặc
biệt của dòng F281x và C281x.
Chuẩn JTAG gồm 5 chân:
- TID ( Kiểm tra dữ liệu trong )
- TDO ( kiểm tra dữ liệu ngoài)
- TCK ( kiểm tra đồng hồ )
- TMS ( kiểm tra chế độ chọn)
- TRST( kiểm tra thiết lập tùy chọn)
*Đơn vị xử lí trung tâm CPU 32 bit

35
- Phép nhân MAC 16x16 và 32x32
- Cấu trúc Harvard bus.
- Đáp ứng và xử lí ngắt tốc độ cao.
- Quản lí theo địa chỉ tuyến tính 4M nhớ chương trình.
- Quản lí theo địa chỉ tuyến tính 4M nhớ dữ liệu.
- Dễ tạo mã bằng C/C++ hoặc hợp ngữ Asembler.
- Mã nguồn tương thích với TMS320F320x/LF240x
* Bộ nhớ trên phiến (On- chip memory)
- Có 128Kx16 Flash( 4 mảng 8Kx16 và sáu mảng 6Kx16)
- 1Kx16 loại OTP ROM.
- L0 và L1: 2 khối loại 4Kx16.
- Có Ram truy cập đơn .
- H0:1 khối 8Kx16 SARAM.
- M0 và M1: 2 khối loại 1Kx16 SARAM.
- Có Boot Modes bằng Software.
- Standard math Tables.
* Giao diện ngoài
Tối đa 1M bộ nhớ
* Kiểm soát xung đồng hồ và hệ thống.
- Hỗ trợ thay đổi hệ số PLL.
- Oscillator trên phiến.
- Modul đồng hồWatchdog.
* Ngắt ngoài.

36
* Khối hỗ trợ mở rộng (Peripheral Interrupt Expansion: PIE) tới 45
ngắt ngoại vi.
* Mã khóa an toàn 128Bit.
- Bảo vệ Flash/ OTP và L0/L1 SARAM.
- Chống kĩ thuật phá Firmware.
* 3 đồng hồ CPU 32-Bit.
* Ngoại vi điều khiển máy điện.
- Hai bộ Event Managers(EVA, EVB).
- Đủ cho tới 240 ngoại vi.
* Ngoại vi tuần tự ( Serial Peripheral Interfaces: SCIS), Standard
UART.
- Hỗ trợ truyền thông Ecan.
* 16 kênh ADC 12-Bit.
- Xen kênh 2x8 đầu vào.
- Hai bộ trích dẫn- giữ chậm(Sample- and- hold).
- Chế độ trích dẫn mẫu đơn lẻ, trích dẫn mẫu liên tục( Single/
Simultaneous Conversions).
- Tần suất trích mẫu lớn: 80ns/12.5MSPS).
* Có tới 56 chân vào/ ra xen kênh khả trình (Mutiltiplexed Genneral).
* Các đặc tính Chip nâng cao.
- Chức năng phân tích và đặt điểm dừng.
- Gỡ rối thời gian thực bằng Hardware.

37
2.3.2. Phần cứng của vi xử lý F2812
Sơ đồ chân của F2312
Hình 2.3. Sơ đồ 176 chân của vi xử lý TMS320F2812

38
2.3.3. Sơ đồ chức năng của vi xử lý TMS320F2812
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của vi xử lý TMS320F2812
Đặc điểm các khối trong sơ đồ cấu trúc của TMS320F2812 như sau
* Đơn vị xử lí trung tâm (Central Processing Unit: CPU) của
TMS320C24x.
Dòng vi xử lí tín hiệu C28x là thành viên mới của họ TMS320C2000
mã nguồn C28x hoàn toàn tương thích với các chip loại 24x/240x, tạo điều

39
kiện cho người sử dụng 240x có thể sử dụng các loại mảng mã quan trọng của
họ. Thêm vào đó, dòng C28x có khả năng sử dụng hữu hiệu C/C++, cho phép
người sử dụng không chỉ cài đặt phần mềm điều khiển phức hợp bằng ngôn
ngữ bậc cao, còn có thể phát triển các thuật toán học. Dòng C28x thực hiện có
hiệu quả các phép tính cũng như các bài toán điều khiển thời gian thực thường
thấy trong các hệ thống thiết bị điều khiển tự động. Khả năng cao đó đã cho
phép loại bỏ yêu cầu sử dụng thêm vi xử lí thứ hai, thường thấy trong nhiều
hệ thống. phép nhân MAC 32x32 bit MAC của C28x và các khả năng xử lí 64
bit đã cho phép C28x xử lí hữu hiệu các vấn đề tính số bậc cao, mà trong
nhiều trường hợp đòi hỏi phải dùng tới giải pháp vi xử lí dấu phẩy động đắt
tiền. Thêm vào đó, tốc độ đáp ứng ngắt nhanh kèm theo khả năng cất giữ nội
dung các thanh ghi quan trọng, đã cho phép F2812 xử lí các sự kiện bất
thường với thời gian trễ bé nhất.
* Hệ thống BUS ghép nối với bộ nhớ (Memory bus, cấu trúc Harvard)
Cũng như những chip DSP khác, hệ thống nhiều bus được dùng để trao
đổi số liệu giữa CPU, bộ nhớ và ngoại vi. Kiến trúc bộ nhớ của C28x chứa
những bus đọc chương trình, bus đọc số liệu và ghi số liệu. Bus đọc chương
trình có 22 lines địa chỉ và 32 lines dữ liệu. 32 lines dữ liệu cho phép truy cập
32 bit chức năng trong 1 nhịp duy nhất. Kiến trúc nhiều bus, còn gọi là
Harvard Bus, cho phép C28x lấy lệnh, đọc và ghi dữ liệu trong vòng 1 chu kì
máy. Tất cả những ngoại vi và bộ nhớ được gắn vào bus bộ nhớ có thể được
phân cấp ưu tiên truy cập bộ nhớ. Nói chung, ưu tiên của bus bộ nhớ truy cập
có thể được tóm tắt như sau:
- Cao nhất:
+ Ghi dữ liệu (ghi dữ liệu và chương trình không thể xảy ra đồng thời
trên bus bộ nhớ.)
+ Viết chương trình (ghi dữ liệu và chương trình không thể xảy ra đồng
thời trên bus bộ nhớ.)

40
+ Đọc dữ liệu
+ Đọc chương trình
- Thấp nhất:
Nạp (Đọc chương trình và nạp chương trình không đồng thời xảy ra
trên bus bộ nhớ.)
Để cho phép di chuyển thiết bị ngoại vi giữa họ Texas Instruments (TI
™) DSP khác nhau của thiết bị, F281x và C281x áp dụng một tiêu chuẩn cho
kết nối tín hiệu ngoại vi.
Hai phiên bản của bus ngoại vi được hỗ trợ trên F281x và C281x. Một
phiên bản chỉ hỗ trợ truy cập 16-bit (được gọi là thiết bị ngoại vi khung 2) và
điều này vẫn giữ tính tương thích với thiết bị ngoại vi tương thích C240x.
Phiên bản khác hỗ trợ cả hai đường dẫn truy cập 16 và 32 bit (được gọi là
thiết bị ngoại vi khung 1)
* Chuẩn JTAG thời gian thực (Real- timeJTAG) và khả năng phân tích
Họ F281x và C281x được tích hợp chuẩn JTAG IEEE 1149.1. Hơn
nữa, họ F281x và C281x hỗ trợ:
- Mode thời gian thực cho các lệnh thực hiện giữa nôi dung các ô nhớ,
các ngoại vi và các thanh ghi trong khi nhân xử lý đang chạy, vẫn đang thực
hiện mã lệnh hay đang phục vụ ngắt.
Nhờ đó, người sử dụng có thể thực hiện các lệnh đơn của nhiệm vụ
không có đòi hỏi khắc nghiệt về thời gian, trong khi vẫn đang liên tục phục vụ
các ngắt có đòi hỏi khắc nghiệt về thời gian mà không hề ảnh hưởng lẫn nhau.
Dòng C28x có cài đặt sẵn Model thời gian thực trong Hardware cùng với
CPU. Đây là đặc điểm chung của dòng C28x mà không cần đến phần mềm
Monitor. Thêm vào đó một cơ chế phân tích đặc biệt bằng Hardware sẽ cho
phép người sử dụng đặt điểm dừng hoặc điểm quan sát số liệu/ địa chỉ và tạo
nên các sự kiện ngắt khác nhau.

41
Chuẩn JTAG gồm 5 chân:
- TID ( Kiểm tra dữ liệu trong )
- TDO ( kiểm tra dữ liệu ngoài)
- TCK ( kiểm tra đồng hồ )
- TMS ( kiểm tra chế độ chọn)
- TRST( kiểm tra thiết lập tùy chọn)
* Giao diện ngoài (External Interface, XINTF )
Giao tiếp bất đồng bộ bao gồm 19 dây địa chỉ, 16 dây số liệu và 3 dây
chọn chip. Các dây chọn chip được tổ chức liên kết với 5 vùng ngoài chip
Zones 0, 1, 2, 6 và 7. Vùng 0 và 1 chia nhau sử dụng chung 1 dây chọn chip
share a single chip- select, vùng 6 và 7 chung nhau sử dụng 1 dây khác. Từng
vùng trong số 5 vùng trên có thể được lập trình với các số lượng nhịp đợi
(wait states) khác nhau, tín hiệu đòi hỏi thời gian giữ của từng vùng đều có
thể được lập trình với thời gian đợi hoặc không. Trạng thái đợi, dây chọn chip
và tín hiệu đòi là khả trình đã làm cho việc giao tiếp với bộ nhớ ngoài và với
ngoại vi trở nên rất linh hoạt.
Chip F2812 có:
- 126Kx 16 bộ nhớ Flash nhúng trên phiến.
- 1Kx16 loại OTP
- 4 mảng 8Kx16 và
- 6 mảng 16Kx16
- Người sử dụng có thể xóa, lập trình hay kiểm tra các mảng hoàn toàn
độc lập. Tuy nhiên không thể đồng thời chạy một mảng và xóa, ghi một mảng
khác. Kĩ thuật chồng kênh khi(pipelining) khi truy cập bộ nhớ đã làm tăng
tính năng của bộ nhớ Flash. Bộ nhớ Flash/OTP được tổ chức xên ở cả hai

42
không gian nhớ chương trình và số liệu, phục vụ cả hai nhu cầu chạy chương
trình hoặc cất giữ số liệu.
*Các khối nhớ M0, M1 SARAMs.
Mọi chip C28x đều có hai khối nhớ truy cậ đơn với kích cỡ 1K x 16
mỗi khối. Con trỏ ngăn xếp sẽ chỉ vào M1 sau khi reset. Khối M0 trùng địa
chỉ với các khối RAM B0, B1, B2 của dòng 240x, và khi đó tổ chức cất dữ
liệu của 240x cần phải lưu ý. Hai khối M0 và M1, cũng như mọi khối nhớ
khác của dòng C28x, đều được tổ chức ở hai không gin nhớ chương trình và
số liệu. Vì vậy, người sử dụng có thể dùng M0 hoặc M1 vào hai mục đích:
Chạy mã chương trình hay xử lí số liệu. Việc phân vùng sử dụng sẽ được
quyết định khi ghép các Module software. Dòng C28x có tổ chức bộ nhớ
thống nhất trong toàn bộ dòng. Điều này sẽ làm đơn giản hơn công tác lập
trình bậc cao.
*Các khối nhớ L0, L1, H0 SARAMs.
Chip F2812 còn có thêm 16Kx 16 RAM loại truy cập đơn, chia thành 3
khối ( 4K+ 4K + 8K). Mỗi khối có thể được truy cập độc lập và do đó làm
giảm nguy cơ mâu thuẫn khi chồng kênh. Mỗi khối đều được tổ chức ở cả hai
không gian nhớ chương trình và số liệu.
*Boot ROM.
Bộ nhớ Boot Rom đã được nạp sẵn chương trình boot từ trước khi xuất
xưởng. Các tín hiệu chọn chế độ boot cho phép khai báo với phần mềm gọi
chương trình boot chế độ boot cần chọn khi khởi động hệ thống. Người sử
dụng có thể lựa chọn:
- Chế độ boot thông thường.
- Hay chế độ nạp
- Hoặc chọn chương trình boot cất tại bộ nhớ Flash trên phiến.
Bộ nhớ Boot Rom còn có các bảng được chuẩn bị sẵn như dạng song
sin, cos phục vụ cho các ứng dụng tính toán.

43
* Bảo mật( Security)
F281x và C281x hỗ trợ các mức độ cao về bảo vệ. Chức năng bảo vệ
cho phép sử dụng:
- Một từ khóa 128 bit, mã hóa cứng với 16 nhịp chờ.
Người sử dụng tự nạp từ khóa này vào Flash. Một Module mã bảo mật
(code security module, CSM) được dùng để bảo vệ các khối Flash/OTP và
L0/L1 SARAM. Khả năng bảo mật cho phép hòng chống đọc trộm hoặc nội
dung bộ nhớ qua cổng JTAG, hoặc mã chương trình từ các bộ nhớ ngoài, hoặc
tìm cách boot nạp phần mềm lạ với khả năng xuất ra ngoài nội dung các khối
nhớ đã được khóa mã bảo mật. Để truy cập các khối nhớ đó, người sử dụng
phải nhấp đúng giá trị khóa 128 bit, trùng đúng với giá trị cất trong Flash.
* Khối mở rộng ngắt ngoại vi ( Peripheral Interupt Exansion, PIE)
Khối PIE phục vụ xen kênh nhiều nguồ ngắt khác nhau và qui chúng về
thành một tập nhỏ các đầu ngắt. Khối PIE có thể hỗ trợ 96 ngắt ngoại vi. Trên
chip F2812
- Ngoại vi sử dụng tất cả 45 trong tổng số 96 ngắt.
- 96 ngắt được phân thành các nhóm, mỗi nhóm là 8 ngắt và được gán
cho 1 trong số 12 dây ngắt của CPU (INT1 tới INT12).
- Mỗi ngắt đều có vector ngắt riêng cất trong RAM mà người sử dụng
có thể ghi, xóa.
Khi phục vụ ngắt CPU sẽ tự động đọc vector ngắt. Thao tác đọc đó cần
9 nhịp xung đồng hồ của CPU và sẽ cất nội dung của các thanh ghi quan
trọng. Nhờ vậy, CPU có thể phản ứng nhanh với các sự kiện ngắt. Việc phân
cấp ưu tiên của ngắt sẽ do Hardware và software điều khiển. Từng ngắt riêng
rẽ có thể bị cấm, hay cho phép trong khối PIE.
* Các ngắt ngoài ( External Interrupts, XINT1, 2, 13, XNMI )
Chip F2812 hỗ trợ 3 ngắt ngoài là loại có thể che chắn ( masked) được
(XINT1, 2, 13). XINT 13 được liên kết với một ngắt ngoài không che được

44
(XNMI) . Tín hiệu liên kết có tên là XNMI_ XINT13. Mỗi ngắt đều có thể được
chọn bởi sườn âm hoặc sườn dương của tín hiệu ngắt và như vậy cũng có thể cấm
hoặc cho phép kích hoạt ( kể cả XNMI). Mọi ngắt loại che chắn được đều có một bộ
đếm tiến 16 bit, có nội dung bị đưa về không khi hát hiện sườn ngắt hợp thức. Bộ
đếm đó có thể được sử dụng để đo chính xác thời gian phục vụ ngắt.
*Mạch dao động( Oscillator) và PLL.
F2812 được điều khiển bởi xung nhịp do mạch dao động ngoài hay
mạch dao động trong ( bằng thạch anh gắn vào chip) cung cấp. Một mạch
khóa pha PLL có sẵn hỗ trợ tới 10 hệ số chia tần đầu vào khác nhau. Các hệ
số PLL có thể thay đổi động bằng software, cho phép người sử dụng có thể
thay đổi tần số đồng hồ ngay khi đang vận hành, một tính năng quan trọng khi
xuất hiện đòi hỏi giảm công suất tổn hao khi đang chạy. Khối PLL có thể
được chuyển sang chế độ nghỉ.
* Cơ chế (watchdog)
F281x có một đồng hồ watchdog. Phần mềm ứng dụng sẽ phải reset bộ
đếm watchdog trong một khung thời gian đã định, nếu không cơ chế
watchdog sẽ tự reset vi xử lí. Có thể cấm cơ chế watchdog khi cần thiết.
* Xung đồng hồ cho ngoại vi ( Peripheral Clocking)
Người lập trình có thể cho phép hoặc cấm cấp xung đồng hồ riêng rẽ
cho từng ngoại vi, nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng khi ngoại vi đó không
hoạt động. Thêm vào đó, tần số xung đồng hồ hệ thống đưa tới các cổng tuần
tự trừ eCan và các bộ xử lí sự kiện, tới các khối CAP và QEP có thể được
giảm so với xung đồng hồ của CPU. Khả năng này cho phép cách li nhịp của
ngoại vi với nhịp đồng hồ của CPU khi tần số rất cao.
* Các chế độ tiết kiệm năng lượng( Low- Power modes).
Chip F2812 thuộc loại chip thuần túy “static CMOS” có tất cả ba chế
độ tiết kiệm năng lượng:

45
- IDLE: Đưa CPU về chế độ tiết kiệm năng lượng. Có thể ngừng xung
đồng hồ của ngoại vi, chỉ giữ lại đồng hồ của những ngoại vi có nhu cầu hoạt
động ở chế độ IDLE. Một tín hiệu ngắt của ngoại vi đang hoạt động sẽ đánh
thức đưa vi xử lí ra khỏi trạng thái IDLE.
- STANDBY: Ngừng xung đồng hồ của CPU và ngoại vi. Chế độ này
ngừng cả bộ dao động và chức năng PLL. Một sự kiện ngắt ngoài sẽ đánh
thức vi xử lí và ngoại vi. Trạng thái hoạt động sẽ quay trở lại ở nhịp tiếp ngay
sau khi phát hiện được sự kiện ngắt.
- HALT: Ngừng bộ dao động. Chế độ này ngừng hoạt động toàn chip
về trạng thái tiêu thụ ít năng lượng. Chỉ tín hiệu reset hoặc XNMI có thể đánh
thức chip ra khỏi chế độ này.
* Peripheral Frames 0, 1, 2 (PFn)
F281x và C281x chia thiết bị ngoại vi thành 3 mảng. Các ngoại vi được
tổ chức như sau:
- PF0: + XINTF Thanh ghi lập cấu hình giao diện ngoài.
+ PIE Thanh ghi cho phép kiểm tr ngắt PIE và bảng vecto PIE
+ Flash Thanh gh điều khiển Flash, lập trình, xóa, kiểm tra
+ Timers Thanh gh đồng hồ CPU 0,1,2.
+ CSM thanh gh KeY bảo mật
- PF1: + Ecan Thanh ghi hộp thoại và kiểm tra eCan
- PF2: + SYS Thanh ghi kiểm tra hệ thống
+ GPIO thanh ghi lập cấu hình xen kênh và kiểm tra vào/ raGPIO
+ EV thanh ghi điều khiển của bộ xử lí sự kiện (EVA/ EVB)
+ McBSP thanh gh điều khiển McBSP và TX/ RX
+ SCI Thanh ghi điều khiển giao diện tuần tự truyền thông (SCI) và
RX/ TX
+SPI thanh ghi điều khiển giao diện tuần tự của ngoại vi (SPI) và
RX/TX

46
+ ADC thanhn ghi điều khiển bộ ADC 12 bit
* Bộ xen kênh vào/ ra đa năng (General-Purpose Input/Output GPIO
Multiplexer)
Hầu hết các tín hiệu ngoại vi đều được xen kênh với tín hiệu I/O đa
năng. Điều này cho phép người sử dụng dùng một chân (pin) dưới dạng vào/
ra đa năng khi tín hiệu hay chức năng ngoại vi không được dùng đến. Sau
reset, mọi chân GPIO đều được đặt ở dạng đầu vào.
*Các đồng hồ 32 bit của CPU – timer (0, 1, 2)
Các đồng hồ CPU 0,1 và 2 là 3 đồng hồ 32 bit giống hệt nhau với chu
kì khả trình và khả năng chọn chia tần số đồng hồ tới 16 bit. Mỗi đồng hồ có
một thanh ghi đếm lùi 32bit, phát tín hiệu ngắt khi bộ đếm về tới không. Bộ
đếm lùi hoạt động với tần số đồng hồ của CPU chia cho hệ thống đã đặt ra.
Khi bộ đếm về tới không, nó sẽ tự động được nạp mới giá trị chu kì 32 bit.
Đồng hồ CPU 2 được dự trữ dành cho các ứng dụng OS (RTOS)/BIOS thời
gian thực. Đồng hồ CPU 1 dành cho các chức năng hệ thống TI. Đồng hồ
CPU2 được nối với INT14 của CPU. Đồng hồ CPU 1 có thể được nối với
INT13 của CPU. Đồng hồ CU 0 được dùng để sử dụng tùy nhu cầu và được
nối với khối PIE.
* Ngoại vi điều khiển động cơ (Motor Control Peripherals)
Chip F2812 hỗ trợ các ngoại vi sau đây, đáp ứng nhu cầu thực hiện các
bộ điều khiển nhúng và truyền thông.
- EV: Module quản lí sự kiện bao gồm các thanh ghi đa năng, các bộ
so sánh /PWM (full- compare/PWM), các đầu vào đo(Capture inputs,CAP) và
các mạch thu nhập xung của encoder. Hai bộ quản lí sự kiện đó cho phép điều
khiển đồng thời 2 động cơ xoay chiều ba pha hoặc 4 động cơ 2 pha. Các bộ
quản lí sự kiện của F2812 tương thích với các bộ cùng chức năng của dòng
240x devices.

47
- ADC: Khối ADC là một bộ biến đổi 12 bit, 16 kênh. Bộ ADC có hai
đơn vị trích mẫu / giữ chậm cho phép trích mẫu một cách liên tục.
* Ngoại vi cổng tuần tự ( Serial Port Peripherals)
- Chip F2812 hỗ trợ các ngoại vi có truyền thông tuần tự sau đây:
- eCAN: Đây là phiên bản nâng cao của ngoại vi CAN. Phiên bản này
hỗ trợ 32 hộp thoại, giữ bản tin, và tương thích với CAN 2.0B.
- McBSP: Đâylà cổng tuần tự có đệm đa kênh, được sử dụng để nối với
các dây E1/T1, mã hóa với chất lượng phone để dùng trong các ứng dụng
modem hoặc thiết bị Audio DAC loại stereo có chất lượng cao. Các thanh ghi
thu và phát của McBSP hỗ trợ FIFO 16 mức. Điều này đx giảm đáng kể sự
trùng lặp khi phục vụ ngoại vi loại này.
- SPI: Là một cổng I/O tuần tự tốc độ cao, cho phép dịch chuyển một
chuỗi bit tuần tự với chiều dài khả trình từ 1 đến 16 bit vào hay ra khỏi chip
chỉ trong 1 lần gửi bit do ta lập trình. Thông thường, SPI được sử dụng để
truyền thông giữa chip DSP controller và ngoại vi ngoài, hoặc một vi xử lí
khác. Các ứng dụng đặc trưng bao gồm I/O ngoài hoặc mở rộng ngoại vi bằng
các thanh ghi dịch, các bộ đệm hiển thị và các bộ ADCs. Việc truyền thông
giữa nhiều đơn vị cũng được hỗ trợ nhờ chế độ hoạt động master / slave.
- SCI: Giao diện truyền thông tuần tự này là một cổng tuần tự không
đồng bộ hai dây, thường được gọi là UART. Trên chip F2812 cổng này hỗ trợ
FIFO thu phát 16 mức.

48
2.4. Động cơ bước đơn cực (unipolar)
Các thông số của động cơ bước được đưa ra trong bảng sau
Động cơ bước Kí hiệu Tham số Đơn vị
Mô men xoắn J 2.02*10۸(-6) N-m-S^2/rad
B 1* 10^(-3) N-m-S^2/rad
Điện cảm L 0.005 H
Điện trở cuộn dây R 2.5 Om
Góc bước 90
Mô men xoắn không đổi Km 0,05 V-S/rad
2.5. Mạch động lực điều khiển động cơ bước
2.5.1. Động cơ bước đơn cực
Hình 2.5. Mô tơ bước và các đi ốt bảo vệ
Các đi ốt D1, D2, D3, D4 mắc song song với các cuộn dây dùng để khử
điện áp ngược trên các cuộn dây khi các cuộn dây từ trạng thái được cung cấp
xung và chuyển sang trạng thái tắt.
- D1 mắc song song với cuộn dây 6-4 của mô tơ bước

49
- Mạch driver sử dụng linh kiện rời rạc để thay đổi xung chạy qua các
cuộn dây sử dụng các cặp transitor NPN và PNP kết hợp với transistor trường
trong đó tác dụng của các phần tử như sau:
+ Q1, Q2, Q3 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q1 là
bán dẫn NPN, Q3 là bán dẫn PNP, Q2 là transitor trường và chính là phần tử
công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước.
Hình 2.6. Mạch driver cung cấp dòng cho cuộn dây mô tơ bước
+ R4 nhận xung từ port PWM1 cung cấp chế độ cho Q1,Q2,Q3 động
các điện trở R1, R2, R3, R4 và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor
hoạt động.
+ Q4 Q5, Q6 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q4 là
bán dẫn oạt NPN Q6 là bán dẫn PNP, Q5 là transitor trường và chính là phần
tử công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước
- R6 nhận xung từ port PWM2 cung cấp chế độ cho Q4,Q6,Q5 động
các điện trở R7, R5, R8, và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor
hoạt động.
+ Q7, Q8, Q9 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q7 là
bán dẫn NPN Q9 là bán dẫn PNP, Q8 là transitor trường và chính là phần tử
công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước

50
- Các điện trở R7, R8 R 9, và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các
transistor hoạt động.
+ R9 nhận xung từ port PWM3 cung cấp chế độ cho Q7, Q8, Q9 động
các điện trở R14, R15, R16, R17, R18và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các
transistor hoạt động.
+ Q10, Q11, Q12 tạo dòng điện thay đổi qua cuộn dây mô tơ bước Q10
là bán dẫn NPN Q12 là bán dẫn PNP, Q11 là transitor trường và chính là phần
tử công xuất cho dòng điện chạy qua cuộn dây mô tơ bước
+ R14 nhận xung từ port PWM4 cung cấp chế độ cho Q10,Q11,Q12 động các
điện trở R13, R15, R16, và nguồn +12v cung cấp chế độ cho các transistor hoạt động.
Hình 2.7. Sơ đồ mạch lực cho động cơ bước đơn cực

51
2.5.2. Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước
2.5.2.1. Sơ đồ kết nối động cơ bước lưỡng cực với TMS 320
TMS320F2812
ADCINA0 ADCINA1
CAP3_QEP3
PWM1
PWM2
PWM3
CAP1_QEP1
CAP2_QEP2
PWM4
R2
12K
R3
12K
R5
R1 IRF 540 IRF 540
Q1
12K
C1815
Q2
A1015
IRF 540 IRF 540
Q3
R4
C1815
Q7
C1815
R11 R10
12K 12K
Q8
A1015
R12
12K
R8
12K
R9
12K
Q4
A1015
R6
Q5
1815
R7
Q6 12K
A1015
IRF 540
IRF 540
HYBRID STEPPER MOTOR
IRF 540
IRF 540
Hình 2.8. Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước lưỡng cực

52
2.5.2.2. Kết nối động cơ bước đơn cực với TMS320
Hình 2.9. Sơ đồ kết nối động cơ bước đơn cực với TMS320
2.6. Thiết kế phần mềm cho động cơ bước dùng vi xử lý TMS320F2812
2.6.1. Mã ccs (ex 24 ) của chế độ bước đủ 2 pha on.
#include "DSP28_Device.h"
const Uint16 Forward[]={0X30,0X24,0X0C,0X18};
const Uint16 Backward[]={0X30,0X18,0X0C,0X24};
const Uint16 StopCtrl=0x00; void Delay(Uint16);

53
void main(void)
{
unsigned int i;
InitSysCtrl();
DINT;
IER = 0x0000;
IFR = 0x0000;
InitPieCtrl();
InitPieVectTable();
InitGpio();
EINT;
ERTM;
for(;;)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
GpioDataRegs.GPADAT.all=Backward[i];
Delay(300);
}
}
}
void Delay(Uint16 data)
{
Uint16 i;
int k;
for (i=0;i<data;i++)
{
for(k=0;k<20;k++)

54
{ ; }
}
}
2.6.2. Mã ccs của chết độ bước đủ 1 pha on
const Uint16 Forward[]={0x08,0x10,0x20,0x04};
const Uint16 Backward[]={0x08,0x04,0x20,0x10};
void main(void)
{
unsigned int i;
InitSysCtrl();
DINT;
IER = 0x0000;
IFR = 0x0000;
InitPieCtrl();
InitPieVectTable();
InitGpio();
EINT;
ERTM;
for(;;)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
Delay(300);
}
}
}

55
{
Uint16 i;
int k;
{
for(k=0;k<20;k++)
{ ; }
}
}
2.6.3 Mã ccs của chét độ nửa bước
const Uint16 Backward[]={0x0c,0x08,0x18,0x10,0x30,0x20,0x24};
const Uint16 StopCtrl=0x00;
void Delay(Uint16);
void main(void)
{
unsigned int i;
InitSysCtrl();
DINT;
IER = 0x0000;
IFR = 0x0000;
InitPieCtrl();
InitPieVectTable();
InitGpio();
EINT;
ERTM;
for(;;)
{

56
for(i=0;i<8;i++)
{
Delay(300);
}
}
}
{
Uint16 i;
int k;
{
for(k=0;k<20;k++)
{ ; }
}
}
2.6.4 Chế độ vi bước.
const Uint16 Forward[]={0X30,0X24,0X0C,0X18};
const Uint16 Backward[]={0X30,0X18,0X0C,0X24};
void main(void)
{
unsigned int i;
InitSysCtrl();
DINT;

57
IER = 0x0000;
IFR = 0x0000;
InitPieCtrl();
InitPieVectTable();
InitGpio();
EINT;
ERTM;
for(;;)
{
for(i=0;i<4;i++)
{
Delay(600);
}
}
}
{
Uint16 i;
int k;
{
for(k=0;k<20;k++)
{ ; }
}
}

58
2.7. Thao tác với chương trình dịch Ccstudio
2.7.1. Màn hình khởi động chương trình.
Hình 2.10. Màn hình khởi động chương trình
2.7.2. Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812
Hình 2.11. Kết nối phần mềm điều khiển với DSP TMS320F2812

59
2.7.3 Mở Project
Hình 2.12. Mở Project

60
2.7.4. Dịch chương trình.
Hình 2.15. Dịch chương trình

61
Hình 2.16. Dịch chương
trình 2.7.5. Nạp mã chương trình vào bộ nhớ.
Hình 2.17. Mã nạp chương trình vào bộ nhớ.

62
2.7.6. Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước.
Hình 2.18. Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước
2.8. Bộ điều khiển vị trí hệ kín PID cho PMSM
2.8.1. Sơ đồ mạch phần cứng

63
Hình 2.19. Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng
Hình 2.20. Cấu trúc của Encoder và các xung đầu ra của nó

64
2.8.2. Phần mềm điều khiển hệ thống
Tín hiệu đầu ra u(t) của bộ điều khiển PID được xác định theo biểu thức sau:
1 det
ut K p et etdt Td
T dt
i
Trong đó:
et r

trt
r
 - là vị trí đặt yêu cầu.
r - là vị trí thực của rotor
Chuyển sang dạng số, ta được:
    k
  D    

u k  K
p
e k  K
I
e j  K k  e
 e k1
j0
Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID như sau:
Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID như sau
Bắt đầu
Nhậpr

Thu thậpr
ek r

krk
Tính uk
Quay thuận
>0
ek
= 0
< 0
Quay ngược
Đứng yên
Phát xung ra
Kết thúc
Hình 2.21 .Thuật toán để điều khiển động cơ PMSM theo hệ kín PID

65
Mã nguồn:
#include "math16.h"
unsigned char
WT,
T10m;
int16 err,
erp,
co,
wn,
n100,
i100,
d100,
kp,
ki,
kd,
A0,
A0p,
A1,
A1p;
//Timero counts 10ms looptime:
#define Fxtal 10
#define Tus 10000
#define PSC 8
#define PSF 1
#define TCL (65536-(long)Tus/4/PSF*Fxtal)%256
#define TCH (65536-(long)Tus/4/PSF*Fxtal)/256
#define ToggleCnt 50
// ADC configuration
#define ADCRA0 0b11000101
#define ADCRA1 0b11001101

66
#define ADCONF 0b10000100
void ToggleAlive(void){
//ToggleAlive toggles RA4 every 500 ms
--T10m;
if (T10m ==0){
PORTA.4^=1;
T10m = ToggleCnt;
}
}
void LoopTime(void){
do {} while (!TMR0IF);
TMR0IF=0;
WT=TMR0L+TCL;
W=TCH;
TMR0H=addWFC(TMR0H);
TMR0L=WT;
}
void init(void){
ADCON1=ADCONF;
ADCON0=ADCRA0;
TRISA=0b11100011;
PORTA=0;
TRISB=0b00000000;
TRISC=0b00000000;
TRISD=0b00000000;
PORTD=0;
TRISE=0b00000100;
PORTE=0;
T0CON=0b10001000;
T10m=ToggleCnt;

Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi.doc

Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi.doc

Similar to Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi.doc (17)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vị trí động cơ bước sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi.doc