i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ MINH
NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ BƯỚC SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. CAO XUÂN TUYỂN

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Minh 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.


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. iii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ........................... vii
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 độngcơ 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. .................................................................................................. 14
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 ......................................

2.9.2. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng Backstepping ........................................... 74
2.9.3. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho mạch vòng điều chỉnh vị trí ......... 84


vi

2.9.4. Kết luận ……………… .............................................................. ……..86
CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN............... 87
3.1. Kết quả mô phỏng trong MATLAB......................................................... 87
3.1.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống kín ............................................................... 87
3.2. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 90
3.2.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................... 90
3.2.2. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 91
3.3. Kết luận. ................................................................................................... 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................. ....................... ..............94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................ Error! Bookmark not defined.


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Ghi chú

Hình 1.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ bước


7

Hình 1.7

Mạch động lực động cơ bước lưỡng cực với 3 nhánh
nửa

8

Hình 1.8

cầu
Sơ đồ mô tả chế độ bước đủ một pha được cấp xung

9

Hình 1.9

Dạng xung trong dây quấn

10

Hình 1.10 Chiều dòng điện chạy trong cuộn dây

10

Hình 1.11 Chế độ bước đủ khi cả 2 pha được cấp xung

11

pha
Hình 1.20 Chế độ hoạt động bước đủ 1 pha ở động cơ bước đơn

17
18

cực
Hình 1.21 Giản đồ xung cấp điện cho mỗi cuộn dây ở chế độ bước
đủ 2 pha

19


viii
viiiv

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
Hình 1.24 Chế độ hoạt động nửa bước của động cơ bước đơn cực

21

Hình 1.25 Giản đồ dạng xung trong chế độ vi bước

23


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

51

Hình 2.8

Sơ đồ kết nối TMS320 vào động cơ bước lưỡng cực

52


62

Hình 2.16 Dịch chương trình

63

Hình 2.17 Mã nạp chương trình vào bộ nhớ

63

Hình 2.18 Ra lệnh chạy hệ thống điều khiển động cơ bước

64

Hình 2.19 Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng

65


ix

Hình 2.20 Cấu trúc của Encoder và các xung đầu ra của nó

66

Hình 2.21 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hệ kín cho PMSM

67

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng


Hình 3.4

Tốc độ của động cơ

88

Hình 3.5

Mô men của động cơ

89

Hình 3.6

Dòng điện pha của động cơ

89

Hình 3.7

Mô hình hệ thống thí nghiệm

90

Hình 3.8

Vị trí thực của rotor với hệ điều khiển mạch kín PID và

90

: Động cơ bước đơn cực

PMSM

: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

PID

: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích
phân, đạo hàm)


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 mờ”
Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:

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

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,
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.
o
o
o
o
o
Các góc bước thường là 1,8 ; 7,5 ; 30 ; 45 ; và 90 . 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,


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 bipola
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
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

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
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
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


Dòng điện cuộn dây B

+

+

+

0

-

-

-

0


PHASE A

PHASE A

PHASE A

N

N

S

PHASE B

N
S

STEP 3

PHASE A

PHASE A

PHASE A
PHASE A

PHASE A

N

ROTOR

N

S

S

N

S


PHASE A

PHASE A

S

ROTOR

N

STEP 6

STEP 5

STEP 4

PHASE B

PHASE B

S

S

PHASE B

N

PHASE B


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
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.
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.

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.
Tiếp tục, khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q3, không
đưa xung vào Q1, Q2 và Q4, Q3 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây C
, rotor quay đi một góc 90 độ tiếp theo.
Tiếp tục, khi bộ vi điều khiển hoặc vi xử lý đưa xung vào Q4, không
đưa xung vào Q1, Q2 và Q3, Q4 thông và cho dòng điện chạy qua cuộn dây D
, rotor quay đi một góc 90 độ tiếp theo.