Đồ án Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước (Step Motor)

 BỘ CÔNG THƯƠNG
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
 KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
 ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI XỬ LÝ
 Đề tài: Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước ( Step Motor)
Giảng viên hướng dẫn : TS. ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG 
Sinh viên thực hiện: PHẠM QUANG HẢI ANH 
Mã sinh viên: 1781410404
Lớp : D12TĐH&ĐK2
 Hà Nội, tháng 10 năm 2020
 1 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ
Thiết kế mạch điều khiển động độ động cơ bước (step Motor) 
Nhiệm vụ thiết kế:
 • Điều khiển động cơ theo phương pháp sử dụng độ rộng xung.
 • Có các phím chức năng tương ứng để Dừng, Quay thuận nửa bước, Quay 
 nghịch nửa bước, Tăng tốc và Giảm tốc cho DC bước (02 cấp tốc độ)
 • Hiển thị các chức năng tương ứng khi chạy và tốc độ động cơ lên màn hình 
 LCD.
 Yêu cầu:
 • Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư.
 • Giới thiệu chung về bộ điều khiển 
 • Thiết kế phần cứng.
 • Thiết kế phần mềm.
 • Kết luận.
 2 LỜI MỞ ĐẦU
 Như chúng ta đã biết kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành 
kỹ thuật và trong dân dụng. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phức 
tạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp 
bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng.
 Vi điều khiển không những góp phần vào kỹ thuật điều khiển mà còn góp phần to 
lớn vào việc phát triển thông tin. Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều 
khiển là điều mà các sinh viên ngành điện phải hết sức quan tâm. Đó chính là một nhu 
cầu cần thiết và cấp bách đối với mỗi sinh viên, đề tài này được thực hiện chính là đáp 
ứng nhu cầu đó.
 Mặc dù vi điều khiển đã đi được những bước dài như vậy nhưng để tiếp cận được 
với kỹ thuật này không thể là một việc có được trong một sớm một chiều. Để tìm hiểu bộ 
vi điều khiển một cách khoa học và mang lại hiệu quả cao làm nền tảng cho việc xâm 
nhập vào những hệ thống tối tân hơn. Việc trang bị những kiến thức về vi điều khiển cho 
sinh viên là hết sức cần thiết. Xuất phát từ thực tiển này em đã đi đến quyết định Thiết kế 
mạch điều khiển động độ động cơ bước (Step Motor) nhằm đáp ứng nhu cầu ham muốn 
học hỏi của bản thân và giúp cho các bạn sinh viên dễ tiếp cận và hiểu sâu hơn về vi điều 
khiển họ 8051
 Tuy nhiên vì thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên trong quá 
trình thực hiện đồ án không thể tránh những thiếu sót nhất định. Vì vậy, chúng em rất 
mong sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của thầy cô cùng tất cả các bạn để đồ án này được 
hoàn thiện hơn.
Chúng em chân thành cảm ơn!
 Hà Nội, ngày tháng năm 2020
 Nhóm Sinh Viên
 3 LỜI CẢM ƠN
 Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến cô Đoàn Thị Hương Giang. 
Cô đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu và hoàn thành tốt đồ án này. 
Những lời nhận xét góp ý và hướng dẫn của thầy đã giúp chúng em có định hướng đúng 
đắn trong quá trình thực hiện đồ án, giúp chúng em nhìn ra được ưu khuyết điểm của đồ 
án và từng bước khắc phục để có được kết quả tốt nhất. Chúng em cũng xin cảm ơn thầy 
cô trong khoa Điều Khiển và Tự Động Hóa, bộ môn Vi Xử Lý trong Đo Lường Điều 
Khiển tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng em các kiến thức chuyên ngành, những công 
nghệ mới cũng như cách làm việc nhóm đề hoàn thành tốt đồ án môn học này.
 Hà Nội, tháng 08 năm 2020
 4 Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
 Giảng viên hướng dẫn
 5 CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN
 I. Đặt vấn đề
 1. Vai trò của động cơ điện trong sản xuất
 Hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất các loại động cơ điện ngày 
càng được ứng dụng rộng rãi hơn so với những loại động cơ sử dụng năng lượng như 
xăng, dầu khí, khi đốt 
 Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng 
cơ.
 Động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng 
trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay 
DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt 
động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào động cơ điện.
 Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt 
trong các đầu máy xe lửa.Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong 
các ổ cứng, ổ quang, chúng là các động cơ bước rất nhỏ. Sở dĩ, động cơ điện được đánh 
giá cao và ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực hiện nay là bởi nguyên tắc hoạt động 
vô cùng thông minh của nó.
 Động cơ điện bao gồm 2 bộ phận chính được gọi là rotor và stator. Khi cuộn dây 
trên rotor và stator được nối với nguồn điện, các từ trường sẽ được tạo ra xung quanh và 
tạo ra sự chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen. Đa số các động cơ điện 
đều hoạt động theo nguyên lý điện từ. Các động cơ điện từ
 Dựa vào nguyên lí hoạt động là có một lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện 
chạy qua nằm trong một từ trường. Nhờ đó mà động cơ có thể hoạt động liên tục, bền bỉ 
và tiết kiệm năng lượng.
 2. Vai trò của động cơ điện một bước trong sản xuất
 a. Ưu điểm 
 - Có thế điều khiển mạch hở.
 - Duy trì mô men rất tốt (không cần phanh, biến tốc).
 6 - Giá thành rẻ 
 - Mômen xoắn cao ở tốc độ thấp.
 - Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét) 
 - Định vị chính xác
 b. Nhược điểm
 - Động cơ làm việc không đểu, đặc biệt là ỏ tốc độ thấp (điều khiển đầy bước).
 - Tiêu thụ dòng điện không phụ thuộc vào tải.
 - Kích cỡ hạn chế.
 - Làm việc ồn.
 - Mô men giảm theo tốc độ.
 - Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số.
 3. Các phương pháp điều khiển được sử dụng động cơ bước
 Động cơ bước có thể được điều khiển bởi nhiều cách khác nhau từ những thiết bị 
thô sơ nhất như nút bấm, mạch điện-điện tử tuy cách sử dụng vận hành các thiết bị này 
đơn giản nhưng đòi hỏi người vận hành phải có mặt trực tiếp tại hiện trường để sử dụng 
thiết bị điều khiển.
 Ngày nay, công nghệ kỹ thuật điện-điện tử, công nghệ thông tin phát triển, giải 
pháp tự động hóa trong điều khiển ngày càng được áp dụng rộng rãi trong đời sống , sản 
xuất. Việc sử dụng tự động hóa trong điều khiển đáp ứng được việc có thể điều khiển 
thiết bị khác ở mọi lúc mọi nơi mà không cần có mặt tại hiện trường, tiết kiệm được thời 
gian, công sức cho người sử dụng.
  Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu đề tài chúng em tập trung vào những vấn đề sau:
 - Tìm hiểu, lựa chọn động cơ một chiều.
 - Tìm hiểu, lựa chọn các linh kiện, thiết bị trong hệ thống điều khiển như: LCD 
 16x2, module ULN2003, , các loại nút bấm, điện trở, tụ điện 
 Thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ bước sử dụng vi điều khiển theo yêu cầu 
công nghệ của đề tài.
 4. Lựa chọn thiết bị
 a. Động cơ bước
 7 Đề tài yêu cầu đối tượng điều khiển là động cơ bước, để phù hợp với yêu cầu của 
đề tài và quá trình tìm hiểu, thiết kế, vậy nên chúng em chọn động cơ bước 28BYJ-48:
 - Điện áp cung cấp: 5VDC.
 - Số phase: 4.
 Động cơ bước chúng em đang sử dụng có 4 cực và cơ cấu giảm tốc để tăng 
momen xoắn. Góc bước của động cơ là 5,64 °. Nhưng khi xét giảm tốc, góc bước của trục 
đầu ra là 5,64°/64°. 
 b. Module ULN2003
 Để điều khiển động cơ bưóc, chúng em sử dụng module ULN2003. Dựa vào các 
thông số của động cơ bước, chọn module ULN2003 có thông số như sau:
 - Điện áp đầu vào: 5 ~ 12 VDC
 - Tín hiệu ngõ vào: 4 chân in1, in2, in3, in4.
 - Tín hiệu ngõ ra: Jack cắm động cơ bước 28BYJ-48.
 - 4 led hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ.
 c. Vi điều khiển
 Đối với vi điều khiển , chúng em sử dụng vi điều khiển AT89C52 thuộc họ vi điều 
khiển MCS51 :
 - Điện áp hoạt động: 4V - 5.5V
 - Dòng điện nuôi vi điều khiển: 25mA
 - Dòng đầu ra của các Port cỡ 15mA
 d. Nút bấm
 Để điều khiển chọn chế độ chạy cho động cơ, chúng em sử dụng nút bấm vuông 
cỡ 6x6x5mm có thông số như sau:
 - Nút nhấn chịu điện áp định mức: AC 250V
 - Tải định mức : DC 12V 50mA
 - Trở kháng định mức khi tắt (OFF): ≥100MΩ
 - Trở kháng định mức khi mở (ON): ≤0.03Ω
 e. Thạch anh 
 Thạch anh sử dụng là loại 12Mhz 49S có thông số như sau:
 8 - Tần số: 12MHz
 - Dung sai tần số: ±20ppm
 - ESR (Equivalent series resistance): 30 Ohm
 - Nhiệt độ hoạt động: -20oC ~ 70oC
 II. Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thuật
 Thiết kế một mạch điều khiển động cơ DC 5V với các yêu cầu quay thuận, quay 
ngược, và dừng hẳn.
 Thực hiện thao tác điều chỉnh các chức năng trên thông qua các nút ấn bao gồm 5 
phím bấm điều chỉnh quay thuận nửa bước, quay nghịch nửa bước 2 cấp độ ( tăng và 
giảm ), dừng cấp độ quay. Thông qua các nút ấn cho phép ta có thể điều chỉnh động cơ 
làm việc như mong muốn.
 Hệ thống cho phép hiển thị quá trình làm việc có thể sử dụng LCD để thông báo 
trạng thái của động cơ.
 Thông qua đề tài, làm quen với cách thức, nguyên lý điều khiển đối tượng động cơ 
bước.
 - Tìm hiểu thực tế các linh kiện, các IC
 - Viết chương trình cho vi điều khiển thực hiện thành công theo yêu cầu đề ra.
 - Tìm hiểu các hướng phát triển của đề tài, nâng cao chất lượng của hệ thống.
 - Chi phí cho hệ thống không quá cao, phù hợp với yêu cầu kinh tế.
 9 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC NHÓM THIẾT BỊ 
 TRONG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
 I. Đặc điểm của động cơ bước
 1. Khái niệm chung
 Động cơ bước là loại động cơ điện được dùng để biến đổi các lệnh cho dưới dạng 
xung điện thành sự dịch chuyển dút khoát về góc quay hay đường thẳng –như là bước 
từng bước mà không cần cảm biến phản hồi. 
 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 thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển lập trính 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, máy 
in, 
 Hình 2.1: Động cơ bước
 Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu riêng về 
kĩ thuật , ngoài những yêu cầu chung
 - Có bước dịch chuyển bé
 - Moment đồng bộ hóa đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi thực hiện bước 
 10