Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Luận văn
Giới thiệu về động cơ bước và
phương pháp điểu khiển cho
máy phay
1
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………1
CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC……… ………3
1.1 Điều khiển số…………………………………………………………………3
1.2 Máy CNC………………………………………………………………….….3
CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC………… …………………….7
2.1. Khái niệm chung về động cơ bước………………………………………… 7
2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước ……………………………………8
2.3 Mụmen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước…………………….9
2.4 Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ truyền động……………………………11
2.4.1 Ba chế độ điều khiển động cơ bước………………………………………11
2.4.2 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước…………………… 13
2.4.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước……………………………… 14
2.4.4 Điều khiển chiều quay của động cơ bước……………………………… 15
CHƯƠNG III: TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG 3 TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ
BƯỚC 2 PHA……………………………………………………………………17
3.1 Tìm hiểu về cơ
khớ………………………………………………………….17
3.1.1 Mô hình máy phay thực tế……………………………………………… 17
3.2 Mạch lực và phần cứng của hệ thống……………………………………… 19
3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay ….19
3.3 Phần mềm điều khiển động cơ bước qua cổng LPT……………………… 25
3.3.1 Thuật toán điều khiển…………………………………………………… 27
3.3.2 Viết chương trình…………………………………………………………27

Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Chương I
KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC
1.1 Điều khiển số:
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mọc đích điều khiển các quá
trình công nghệ gia công cắt gọt trờn cỏc máy công cụ. Về thực chấy, đây là một
quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại,
robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia cụng…) trờn cơ sở các dữ
liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập
phân, các chữ cái và một số kí tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của
thiết bị hay hệ thống.
Trước đây, cũng đó cú cỏc quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo
chương trình bằng các kĩ thuật chộp hỡnh theo mẫu, chộp hỡnh bằng hệ thống
thuỷ lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng
các thành quả tiến bộ của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển
số và tin học đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ
các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh
hoạt hơn thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao
hơn.
Về mặt khoa học: trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kĩ thuật
đã cho phét chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao
hơn mà trước đây chưa đủ điều kiện mà ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn tới
kết quả gần đúng. Chính vì vậy đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy thiết kế và chế
tạo cỏc mỏy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng
như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn. Ngày nay,
lịch sử phát triển của NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng
với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lí từ 4bit, 8bit,…cho tới 32bit và cho phép
thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ cũng như xử lí.
1.2 Máy CNC
Từ cỏc mỏy CNC riêng lẻ (CNC Machines – Tools) cho đến sự phát triển cao

trỡnh.Chương trỡnh NC có thể được ghi nhớ hoặc lưu trữ dữ liệu ở bên ngoài.
Đồng thời nó cũng có khả năng liên kết với các thiết bị bên ngoài thông qua các
thiết bị giao tiếp.
Hệ điều khiển hở
Các điều khiển hiện nay trờn mỏy phay được thực hiện bởi điều khiển CNC.
Đặc điểm của hệ điều khiển này là mạch tác dụng hở ( Hình 1.13). Hệ điều khiển
nhận các giá trị cần vào máy mà không cần hiệu chỉnh giá trị của chúng.
Hình 1.3. Hệ điều khiển hở
6
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hệ điều khiển kín
Vì điểu khiển hở có thể cho các tín hiệu đầu ra không chính xác, do đó tín
hiệu ra phải được phản hồi về hệ điều khiển để tính toán liên tục và điều chỉnh lại
các giá trị thực theo yêu cầu. Quá trình điều khiển kín liên tục này được gọi là hệ
điều khiển kín ( Hỡnh 1.4)
Hình 1.4. Hệ điều khiển kín
7
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Chương II
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
2.1. Khái niệm chung về động cơ bước
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu
điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động
góc quay hoặc các chuyển động của rụto và có khả năng cố định rụto vào những
vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín
hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc
quay của rụto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của rụto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một
xung điện áp đặt vào cuộn dây stato của động cơ bước thỡ rụto của động cơ sẽ

điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ
thành phần của các cuộn dây stato ( hình 2.2 b; hình 2.2 c)
Trờn hình 2.2 b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số
chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí
chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Trờn hỡnh 2.2 c vẽ lực điện từ tổng F khi
cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F
nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (số
cuộn dây được cấp điện thay đổi từ chẵn sang lẻ rồi từ lẻ sang chẵn) thì số vị trí
cân bằng của rụto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi bằng
m
π
. Trường hợp này là điều khiển không đối xứng (điều khiển nửa bước).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi thỡ thỡ rụto cú m
vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng (điều khiển cả bước).
Tổng quát số bước quay của rụto trong khoảng 0 ữ 360
0
là :
K = m.n
1
.n
2
.p (2.1)
– m : số pha (số cuộn dây điều khiển trên stato).
– p: số đôi cực của rụto.
– n
1
: hệ số; n
1
= 1 ứng với điều khiển đối xứng.

– B : là cường độ từ trường do dòng điện I sinh ra trong cuộn dây có điện cảm.
– S: tiết diện vuông góc của cặp cực.
– α : góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha.
– θ : góc giữa trục cặp cực và đường vuông góc với trục của cuộn dây pha.
Khi θ thay đổi cùng với sự thay đổi khe hở không khí giữa các răng của stato
và rụto làm cho điện cảm L thay đổi dẫn đến từ thông Φ thay đổi và do đó
mụmen của động cơ cũng thay đổi.
Phần lớn các động cơ bước hiện nay đều có cấu tạo rụto không có cuộn kích
thích. Biểu thức mụmen cú dạng sau:
M(θ) = C
M
.I
S
.
θ
d
dL
S
(2.4)
– CM : hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại động cơ.
– I
S
: trị số dòng điện Stato.
– L
S
: trị số điện cảm Stato.
Quan hệ giữa mụmen và góc quay θ thường có dạng không sin do ảnh hưởng
của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của rụto và stato, cũng như do xung điện áp
cấp vào có dạng xung vuông là tổng của các thành phần điều hoà.
Hình 2.4 vẽ đường cong mụmen tổng M = f(θ) ( đường nét liền) và các thành

AB2 = OA2 + OB2 – 2.OA.OB.cos α (2.5)
OC2 = OA2 + OB2 + 2.OA.OB.cos α (2.6)
2
2






AB
= OA2 +
2
2






OC
- 2.OA.






2
OC

++
+
(2.10)
Từ công thức tổng quát ta suy ra các trường hợp sau:
* Điều khiển cả bước:
– Đầu tiên cho F
2
= 0 và F
1
= F, cosβ = F/F = 1 nên β = 0, rụto ở vị trí trục cuộn
dây 1.
– Rồi cho F
1
= 0 và F
2
= F, cosβ = cosα hay β = α , rụto ở vị trí trục cuộn dây 2.
* Điều khiển nửa bước:
– Đầu tiên cho F
2
= 0 và F
1
= F, rụto ở vị trí trục cuộn dây 1.
– Tiếp theo cho F
1
= F
2
= F
cos

β =

Tín hiệu điều khiển của động cơ bước là các xung rời rạc kế tiếp nhau.Việc
điều khiển động cơ bước 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 điện áp U).
– Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bước).
– Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay).
– Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liên
quan đến chiều quay và mụmen tải).
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau:
* Trạng thái không hoạt động:
Khi không có cuộn dây nào được cấp điện:
– Đối với động cơ phản kháng, rụto sẽ quay trơn.
– Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: cú mụmen
hãm , rụto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cực
của rụto và stato là nhỏ nhất.
14
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
* Trạng thái giữ:
Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều. Rụto mang tải sẽ được giữ
chặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mụmen giữ.
* Trạng thái dịch chuyển bước:
Rụto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ sang vị trí bước tiếp theo khi
các cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp.
* Trạng thái quay quá giới hạn:
Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có tần số quá cao, động cơ sẽ
quay vượt tốc. Ở trạng thái này động cơ không thể đảo chiều, không thể dừng
đúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ. Muốn dừng và đảo chiều
động cơ phải giảm xuống dưới tốc độ tới hạn để hoạt động trong chế độ bước.
Động cơ bước chỉ được coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và c.
2.4.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước
Động cơ bước có thể quay với bất kì tốc độ nào trong giải từ 0 vũng/ phỳt đến

( vũng/phỳt) (2.12)
Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch
bước f. Việc điều khiển này được thực hiện bởi các bộ vi xử lý. Việc lựa chọn tải
15
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
trọng và vận tốc quay cực đại phải được tính toán trước khi thiết kế hệ truyền
động sử dụng động cơ bước.
2.4.4 Điều khiển chiều quay của động cơ bước
Với động cơ bước, chiều quay nhìn chung không đồng nhất với chiều dòng
điện cấp vào mà nó phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch của các bước. Khi rụto
đang ở vị trí n, nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí (n + 1) thì động cơ
quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rụto chuyển sang vị trí (n – 1) thì động cơ
quay trái . Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này.
Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạng
thái cấp điện của các cuộn dây stato. Với động cơ 2 pha, nếu điều khiển cả bước,
có 4 trạng thái cấp điện, nếu điều khiển nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.
Với động cơ 4 pha, nếu cấp xung 1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điện
vào các cuộn dây cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.
Bảng 2.1. Trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha
1 2 3 4 5 6 7 8
Cuộn 1 1 1 0 0 0 0 0 1
Cuộn 2 0 1 1 1 0 0 0 0
Cuộn 3 0 0 0 1 1 1 0 0
Cuộn 4 0 0 0 0 1 1 1 1
Trong bảng ô nào đánh số 1 thì cuộn dây đó được cấp xung điện 1 cực, ô nào
đánh số 0 thì cuộn đó không được cấp điện. Nếu điều khiển cả bước thì chỉ có 4
trạng thái: 1, 3, 5, 7 hoặc 2, 4, 6, 8. Nếu điều khiển nửa bước có 8 trạng thái.
Khi đã xác định được cách cấp điện như trên, trong lúc hoạt động, động cơ
bước chỉ có thể ở 8 trạng thái ổn định đó. Mỗi lần dịch chuyển trạng thái cấp điện
sang trạng thái liền kề thì động cơ dịch chuyển một bước (bước đủ hoặc bước

Hình 3.4. Mô hình lắp ráp may phay
Nếu trục máy sử dụng bộ biến đổi vít me bi thì ưu điểm là rõ ràng, nhưng
cũng không phải không có khó khăn. Việc tìm mua được 3 bộ vit me bi cú cựng
thông số khá khó khăn. Hơn nữa, giá cả của các bộ vít me này cũng khá cao (1,5
– 2 triệu đồng/bộ). Cho nên đối với máy phay này ở phân xưởng thì những bộ
biến đổi này chúng em dùng những thanh trượt (dẫn hướng) hình trụ mạ Crụm.
Hình 3.5. Thanh trượt mạ crụm
19
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Và để bàn máy và các trục tọa độ trượt trên thanh trượt này ta sử dụng dây
cu–roa gai gắn vào các trục máy và tỉ số truyền của bộ truyền này là 1:1.
Để điều khiển chuyển động tịnh tiến của 3 trục đó nờu trên, cơ cấu chấp hành
là 3 động cơ bước.
Bên cạnh 3 trục tọa độ trên, mũi phay được quay bởi động cơ đồng bộ lắp vào
nguồn 220V xoay chiều.
3.2 Mạch lực và phần cứng của hệ thống
Nhiệm vụ của nhóm em là tìm hiểu về cấu trúc phần cứng, chỉnh định lại tủ
điều khiển cho hợp lý hơn về ghép nối và thuận tiện cho chạy thử .
3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay
Với sự phát triển của kĩ thuật vi xử lý các nhà sản xuất đã cho ra đời các vi
điều khiển tích hợp các mạch công suất cần thiết: mạch phát xung, mạch đảo
chiều quay, mạch điều chỉnh tốc độ…vv. Nhờ đó giúp cho việc thiết kế các
module điều khiển được đơn giản và gọn nhẹ cũng như nâng cao độ chính xác
trong quá trình điều khiển. Hai vi mạch L297 và L298 đã được ứng dụng để thiết
kế module điều khiển cho động cơ truyền động trong máy phay.
* Động cơ bước truyền động 3 trục của máy phay:

Hình 3.6. Động cơ bước trong mô hình máy phay
* Module điều khiển động cơ bước:
– Vi mạch L297 do hãng: SGS – THOMSON Microelectronics sản xuất.

– Mạch ghép nối L297 và L298:

Hình 3.12 Sơ đồ ghép nối 2 vi mạch
23
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Hình 3.13 Mạch lắp ráp linh kiện module điều khiển
Cấu trúc cụ thể tủ điều khiển:
Hình 3.14 Cấu trúc tủ điều khiển
Bộ nguồn được thiết kế có 3 nguồn ra là 12V ,5V, 0V.

Hình 3.15 Mạch nguồn
24
Báo cáo thực tập tốt nghiệp
Trong phần cứng ta thấy chân control, enable, half/full được nối với nguồn 5V
(lấy từ bộ nguồn sang) nghĩa là ở mức logic cao. Chân enable ở mức cao để cho
phép L297 hoạt động. Chân half/full ở mức cao để cho chế độ làm việc là nửa
bước. Cũn chân control ở mức logic cao để chế độ chopper luôn là tín hiệu pha.
Bộ dao động R,C tạo dao động cho chân OSC với tần số f = 1/0.69.R.C. Điện áp
so sánh Vref được nối với nguồn 5V thong qua biến trở để có thể điều chỉnh tần
số xung reset, cũng chính là để giới hạn điện áp tải.
Chân Clock để điều khiển tốc độ động cơ. Tần số f của xung clock sẽ được lập
trình để vận tốc của động cơ quay theo tốc độ mong muốn. Chân Dir là điều
khiển chiều quay của động cơ. Khi chân này ở mức logic cao thì động cơ qua
theo chiều kim đồng hồ, còn mức thấp thì ngược chiều kim đồng hồ. Chân Dir và
Clock được điều khiển bởi máy vi tính qua cổng mạch in. Với 3 chân đầu vào đã
được nối vào 5V thì mỗi động cơ ta phải điều khiển 2 chân Clock và Dir. Bởi
vậy, ta phải dùng 6 chân trong 8 chân dữ liệu của cổng mạch in để điều khiển 3