TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu và chế tạo van điều khiển tuyến tính
Trưởng bộ môn

: TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: ThS. Đào Quý Thịnh

Sinh viên thực hiện

: Đỗ Quang Tuấn

Lớp

: ĐK&TĐH 6 - K56

MSSV

: 20112411

Hà Nội, 01-2016

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp có đề tài: “Nghiên cứu và chế tạo van
điều khiển tuyến tính” do em thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
Th.S Đào Quý Thịnh. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Ngoài các tài liệu tham khảo em đã dẫn ra ở cuối sách em cam đoan rằng
không sao chép các công trình hoặc tài liệu tham khảo của người khác. Nếu phát hiện
có sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 04 tháng 01 năm 2016
Sinh viên
Đỗ Quang Tuấn


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU .................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VAN ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH ................... 2
1.1. Khái niệm van điều khiển tuyến tính. .................................................................. 2
1.2. Phân loại van điều khiển tuyến tính ..................................................................... 3
1.2.1. Van điều khiển tuyến tính bằng khí nén. ....................................................... 3
1.2.2. Van điều khiển tuyến tính bằng điện ............................................................. 4
1.3. Ứng dụng của van điều khiển tuyến tính ............................................................. 5
1.4. Cấu tạo van .......................................................................................................... 5
1.5. Nguyên lý làm vận hành van điều khiển tuyến tính ............................................ 6
1.6. Chọn động cơ motor van...................................................................................... 7
1.6.1. Giới thiệu chung về động cơ bước. ............................................................... 7
1.6.2. Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước. ..................... 8
1.6.3. Tính toán momen trong động cơ bước ........................................................ 11
1.6.4. Điều khiển động cơ bước. ........................................................................... 12

1.7. Tính chọn encoder ............................................................................................. 14
1.8. Driver điều khiển động cơ bước TB 6560 ......................................................... 16
1.8.1. Sơ đồ mạch nguyên lý modul TB6560 ........................................................ 16
1.8.2 Cấu trúc modul điều khiển TB6560 ............................................................. 17
1.8.3. Sơ đồ ghép nối modul driver với mạch điều khiển và động cơ................... 19
Chƣơng 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN ..................................................... 20
2.1. Mục tiêu. ............................................................................................................ 20
2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. ................................................................................... 20
2.3. Lựa chọn thiết bị. ............................................................................................... 21
2.4. Tìm hiểu về vi điều khiển Atmega16. ............................................................... 21
2.4.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 22
2.4.2. Cấu trúc phần cứng...................................................................................... 22
2.4.3. Giao tiếp USART ........................................................................................ 24


2.4.4. Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC............................................................... 25
2.5. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 27
2.5.1. Khối nguồn .................................................................................................. 27
2.5.2. Khối reset .................................................................................................... 28
2.5.3. Khối tạo dao động. ...................................................................................... 28
2.5.4. Khối hiển thị LCD ....................................................................................... 28
2.5.5. Khối điều khiển ........................................................................................... 29
2.5.6. IC Max232 ................................................................................................... 29
2.5.7. Khối hạ áp 0-10V xuống 0-5V ................................................................... 30
2.5.8. Khối chuyển đổi tín hiệu từ 4-20mA sang 0-10V ....................................... 30
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VỊ TRÍ ............................. 33
3.1. Mô hình hóa đối tượng ...................................................................................... 33
3.1.1. Cấu trúc điều khiển phản hồi vị trí. ............................................................. 33
3.1.2. Nhận dạng đối tượng theo lý thuyết. ........................................................... 33
3.1.3. Nhận dạng mô hình bằng Identification Toolbox của Matlab. ................... 35

3.2. Luật điều khiển PID ........................................................................................... 40
3.2.1. Giới thiệu PID ............................................................................................. 40
3.2.2. Tính toán tham số bộ điều khiển PID .......................................................... 44
Chƣơng 4: LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC ....................... 47
4.1. Xây dựng thuật toán điều khiển. ........................................................................ 47
4.1.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển. ........................................................................ 47
4.1.2. Thuật toán điều khiển .................................................................................. 48
4.2. Kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài. .............................................. 49
4.2.1. Kết quả đạt được. ........................................................................................ 49
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 56


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Dạng đồ thị so sánh đặc tính dòng chảy van mở nhanh, van tuyến tính và van
phần trăm đều. ................................................................................................................. 2
Hình 1.2. Bộ điều khiển Positioner trên van điều khiển bằng khí nén ........................... 3
Hình 1.3. Van điều khiển tuyến tính bằng điện. ............................................................. 4
Hình 1.4. Mặt cắt bản vẽ van điều khiển tuyến tính. ..................................................... 5
Hình 1.5. Sơ đồ đấu dây và mặt cắt động cơ bước biến từ trở........................................ 8
Hình 1.6. mặt cắt ngang động cơ đơn cực roto 2 cực ..................................................... 9
Hình 1.7. Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ đơn cực roto 6 cực......................... 9
Hình 1.8. Đường cong momen của động cơ nam châm vĩnh cửu hai cuộn dây. .......... 11
Hình 1.9. Cấu trúc điều khiển động cơ bước đơn giản. ................................................ 12
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ đơn cực. .................................. 13
Hình 1.11. Phương pháp bảo vệ chuyển mạch bằng điot.............................................. 13
Hình 1.12. Cấu tạo đĩa quay của encoder quang . ...................................................... 14

Hình 1.13. Hai kênh A, B lệch pha nhau góc 90 trong encoder. ................................. 15
Hình 1.14. Động cơ encoder quang 334 xung .............................................................. 16
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý mạch driver TB6560 ........................................................ 17
Hình 1.16. Cấu trúc modul TB6560 .............................................................................. 17
Hình 1.17. Ghép nối hệ điều khiển động cơ bước với modul TB6560 ......................... 19
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................ 20
Hình 2.2. Sơ đồ chân Atmega 16 .................................................................................. 22
Hình 2.3. Thanh ghi điều hướng 8 bit DDRA ............................................................... 23
Hình 2.4. Thanh ghi dữ liệu PORTx ............................................................................. 23
Hình 2.5. Cấu trúc thanh ghi PINx ................................................................................ 23
Hình 2.6. Khung truyền tin UART ............................................................................... 25
Hình 2.7. Tạo nguồn AVCC từ VCC ............................................................................ 26
Hình 2.8. Thanh ghi ADMUX ...................................................................................... 26
Hình 2.9. Thanh ghi ADCSRA ..................................................................................... 27

i


Danh mục hình vẽ
Hình 2.10. Khối nguồn .................................................................................................. 27
Hình 2.11. Khối reset cho Atmega16 ............................................................................ 28
Hình 2.12. Khối tạo dao động thạch anh 8M ............................................................... 28
Hình 2.13. Khối hiển thị LCD ....................................................................................... 28
Hình 2.14. Khối điều khiển .......................................................................................... 29
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý module Max232 ............................................................... 29
Hình 2.16. Khối hạ điện áp ........................................................................................... 30
Hình 2.17. Mạch chuyển đổi dòng điện thành điện áp ................................................. 31
Hình 2.18. Mạch khuếch đại đảo tín hiệu hệ số -2.5..................................................... 31
Hình 2.19. Mạch trừ ...................................................................................................... 32
Hình 2.20. Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA thành 0-10V ........................................ 32

Hình 3.1. Cấu trúc điều khiển ....................................................................................... 33
Hình 3.2. Độ mở van theo tín hiệu vào 0-10V .............................................................. 35
Hình 3.3. giao diện Identification tool .......................................................................... 36
Hình 3.4. Import Data ................................................................................................... 37
Hình 3.5. Thiết lập dữ liệu vào ..................................................................................... 37
Hình 3.6. chọn cài đặt ước lượng mô hình .................................................................... 38
Hình 3.7. Process Models.............................................................................................. 38
Hình 3.8. Mô hình ước lượng khâu tích phân có trễ .................................................... 39
Hình 3.9. Đáp ứng mô hình ước lượng tich phân có trễ độ mở van theo thời gian ...... 39
Hình 3.10. Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tỉ lệ ..................................................................... 40
Hình 3.11. Sơ đồ khối bộ điều chỉnh tích phân ............................................................. 41
Hình 3.12. Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân ............................................. 41
Hình 3.13. Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh tỉ lệ - vi tích phân ........................................ 42
Hình 3.14. Sơ đồ điều khiển với bộ PID số .................................................................. 42
Hình 3.15. Minh họa ba cách tính tích phân ................................................................. 43
Hình 3.16. Sơ đồ khối bộ PID số .................................................................................. 44
Hình 3.17. Mô hình hệ kín ............................................................................................ 44
Hình 3.18. Mô phỏng matlab simulink ......................................................................... 45
Hình 3.19. Đồ thị mô phỏng matlab đáp ứng đầu ra qua bộ điều khiển ....................... 46
ii


Danh mục hình vẽ

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van .............................................................. 47
Hình 4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển ........................................................................ 48
Hình 4.3. Mô phỏng mạch điều khiển hiển thị độ mở van lên LCD 16x2.................... 49
Hình 4.4. Tín hiệu xung điều khiển động cơ bước. ...................................................... 49
Hình 4.5. Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang 0-10V ............................................ 50
Hình 4.6. Mạch phân áp hệ số ½ ................................................................................... 50

Hình 4.7. Kết quả mô phỏng UART trên giao diện Virtual Terminal .......................... 51
Hình 4.8. Mô hình van tuyến tính ................................................................................. 52
Hình 4.9. Mạch chuyển đổi tín hiệu 4-20mA sang 0-10V ............................................ 52
Hình 4.10. Mạch điều khiển và hiển thị LCD ............................................................... 53
Hình 4.11. Module max232 ......................................................................................... 53
Hình 4.12. Module TB6560 .......................................................................................... 53
Hình 4.13. Đáp ứng đầu ra khi không có phản hồi ....................................................... 54
Hình 4.14. Đáp ứng đầu ra sau khi thêm bộ điều khiển ................................................ 54

iii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Các switch lựa chọn dòng điện điều khiển động cơ ..................................... 18
Bảng 3.1. Thực nghiệm đáp ứng độ mở van so với giá trị đặt. ..................................... 34
Bảng 3.2.Tính toán bộ điều khiển theo Zeigle – Nichols ............................................. 45

iv


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật con người ngày càng đòi hỏi trình độ
tự động hoá phải càng phát triển để đáp ứng được nhu cầu của mình. Tự động hoá
ngày càng phát triển rộng rãi trong mọi lĩnh vực kinh tế, đời sống xã hội, nó là ngành
mũi nhọn trong công nghiệp. Trình độ tự động hoá của một quốc gia đánh giá cả một
nền kinh tế của quốc gia đó. Chính vì lẽ đó mà việc phát triển tự động hoá là một việc

hết sức cần thiết.
Viêc tạo ra các sản phẩm tự động hoá không những trong công nghiệp mà ngay cả
trong đời sống con người ngày càng được phổ biến. Hầu như trong mọi lĩnh vực đều
thấy có cần thiết của tự động hoá.
Từ những thực tế trên là sinh viên của ngành Tự Động Hóa, từ nhữnh kiến thức đã học
em đã chọn và thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo van điều khiển tuyến tính ”. Đây
là một đề tài có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn nói chung cũng như trong những
dụng cụ phòng thí nghiệm nói riêng.
Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô từ phòng
thí nghiệm Rockwell Automation, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
Th.S Đào Quý Thịnh để em có thể hoàn thành đề tài này. Chúng em xin chân thành
cảm ơn!
Việc hoàn thành đề tài này sẽ không tránh được những sai lầm thiếu sót. Em rất mong
được sự phê bình đánh giá của các thầy cô để chúng em có thể rút ra được kinh
nghiệm và cũng nhằm bổ sung kiến thức cho mình.
Hà Nội,ngày 4 tháng 1 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Đỗ Quang Tuấn

1


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Chƣơng 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VAN ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH
1.1. Khái niệm van điều khiển tuyến tính.
Trong các ngành công nghiệp nói chung và tự động hóa nói riêng, van tuyến tính
là một thiết bị đóng vai trò vô cùng quan trọng. Van tuyến tính đóng giúp ta điều khiển
mức, điều khiển áp suất, điều khiển nhiệt độ… của cả chất lỏng và chất khí.

Trong cách sử dụng thông thường, tuyến tính được dùng để nói lên mối quan hệ
toán học hoặc hàm có thể biểu diễn trên đồ thị là một đường thẳng, như trong hai đại
lượng tỉ lệ thuận với nhau, chẳng hạn điện áp và dòng điện trong mạch RLC hay mối
quan hệ giữa khối lượng và trọng lượng của một vật…
Van điều khiển tuyến tính là van dùng tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V để điều
khiển góc mở van. Đồ thị mở van được coi như một đường tuyến tính tỉ lệ giữa độ mở
van với điện áp, hoặc dòng điện điều khiển.

Hình 1.1. Dạng đồ thị so sánh đặc tính dòng chảy van mở nhanh,
van tuyến tính và van phần trăm đều.

2


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Ta có phương trình lưu lượng dòng chảy qua van:
F=


f(x)√

(1.1)

: Hệ số lưu lượng dòng chảy qua van. Đơn vị thể tích/ đơn vị thời gian
khi có sụt áp

= 1psi qua van.

 f(x): phương trình đặc tính dòng chảy, với đặc tính của van điều khiển

tuyến tính f(x)=x, dòng chảy sẽ tỉ lệ thuật với độ nâng của van.


sụt áp qua van.

 d: trọng lượng riêng của chất lỏng.

1.2. Phân loại van điều khiển tuyến tính
Van điều khiển tuyến tính có hai loại là van điều khiển tuyến tính bằng khí nén
và van điều khiển tuyến tính bằng điện.
1.2.1. Van điều khiển tuyến tính bằng khí nén.
Van điều khiển khí nén được thiết kế gồm 3 phần chính : thân van ( body ) , bộ
điều khiển ( positioner ) , bầu khí nén ( actuator ). Nguồn cấp cho van là nguồn khí
nén, tín hiệu điều khiển là tín hiệu 4-20mA nhận từ PLC hoặc bộ điều khiển
positioner.

Hình 1.2. Bộ điều khiển Positioner trên van điều khiển bằng khí nén
Nguyên lý hoạt động của van điều khiển tuyến tính bằng khí nén: ta đưa nguồn
cấp khí vào bộ positioner – tùy theo lực đóng van mà cấp nguồn khí nén cho phù hợp.
Van sẽ chạy tuyến tính theo tín hiệu 4-20mA từ PLC hoặc bộ điều khiển vào bộ

3


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

positioner. Tín hiệu đưa vào PLC có thể từ cảm biến nhiệt độ hoặc cảm biến áp suất
tùy theo chúng ta muốn điều khiển nhiệt độ hay áp suất.
1.2.2. Van điều khiển tuyến tính bằng điện
Cũng gồm cấu tạo ba phần cơ bản giống như van điều khiển tuyến tính bằng khí

nén đó là: thân van ( body ) , Motor van (actuator) và bộ điều khiển tuyến tính
(positioned).
Nguyên lý hoạt động của van điều khiển tuyến tính bằng điện: Nguồn cấp cho
motor van điều khiển là 220VAC hoặc 24VDC. Tín hiệu điều khiển từ PLC hoặc bộ
điều khiển là 4-20mA hoặc 0-10V đưa vào bộ positioner. Bộ điều khiển sẽ cấp tín hiệu
điều khiển motor quay, motor van sẽ quay trái hoặc phải truyền động xuống trục vít
làm van đóng hoặc mở. Van điều khiển dòng điện sẽ có tín hiệu feedback về là 420mA hoặc 0-10V hoặc cảm biến đo vị trí để ta có thể xác định được góc mở của van.

Hình 1.3. Van điều khiển tuyến tính bằng điện.
4


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

1.3. Ứng dụng của van điều khiển tuyến tính
Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số loại van điều khiển tuyến
tính như bên trên thì trên thực tế van tuyến tính sẽ có rất nhiều ứng dụng và được sử
dụng nhiều trong các nhà máy bia, sữa, thực phẩm… vì yêu cầu điều khiển nhiệt độ
hoặc áp suất, lưu lượng một cách chính xác. Van điều khiển tuyến tính có ưu điểm là
điều khiển rất mịn với độ chính xác cao. Tuy nhiên cũng vì lý do đó mà thời gian đáp
ứng khá chậm…
Các hãng cung cấp van điều khiển tuyến tính như: Samson, Spirax, Sarco, Ari,
KFM, RKT…

1.4. Cấu tạo van

Hình 1.4. Mặt cắt bản vẽ van điều khiển tuyến tính.
1.

Thân van (body van). Được làm bằng hợp kim không rỉ, có thể chịu đựng được

áp suất cao và ít bị co giãn khi nhiệt độ xung quanh thay đổi.
5


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

2.

Cửa dẫn chất lỏng của van.

3.

Bánh răng nối giữa động cơ và trục vít mở van, thiết kế bằng hợp kim của đồng,
gồm 50 răng được ăn khớp với nhau.

4.

Động cơ bước điều khiển đóng mở van. Góc bước 1.8 dòng điện định mức
=1.2A, điện áp định mức

5.

=5.16V.

Động cơ encoder được coi như một cảm biến phản hồi vị trí mở van. Encoder
334 xung, 2 dây phát tín hiệu xung cho phép phát hiện chiều quay và đọc chính
xác số xung quay được.

6.


Trục đỡ phần động cơ với phần body van.

7.

Vỏ bảo vệ toàn bộ van. Được thiết kế bằng hợp kim thép không rỉ, dày 2mm và
có sơn một lớp cách điện.

8.

Trục vít đóng mở van ( hành trình của van). Hành trình đóng mở van 40mm.
Ngoài các bộ phận trên ta còn có các mạch lực, mạch điều khiển motor van,
mạch hiển thị LCD và mạch giao tiếp giữa vi điều khiển với máy tính.

1.5. Nguyên lý làm vận hành van điều khiển tuyến tính
Tín hiệu đầu vào input 4-20mA hoặc 0-10V sẽ được lấy từ PLC hoặc các sensor
cấp tới cho vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ có nhiệm vụ xử lý tín hiệu input từ tín hiệu
tương tự qua khâu ADC sẽ được đưa về tín hiệu điều khiển dạng số, tín hiệu này sẽ qua
bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ cấp tín hiệu cho mạch driver điều khiển động cơ quay
trái hoặc phải tương ứng với việc đóng mở van.
Encoder có nhiệm vụ xác định chiều quay và số vòng quay của motor van từ đó
giúp ta biết được chính xác vị trí của van đã mở được bao nhiêu phần trăm và phản hồi
về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ xử lý tín hiệu phản hồi và điều khiển độ mở van sao
cho chính xác nhất.
Kết quả cuối cùng về độ mở van (%) sẽ được hiển thị lên màn hình LCD 16x2.
Đồ thị đáp ứng đầu ra với tín hiệu vào sẽ được truyền lên máy tính qua cổng giao tiếp
UART của vi điều khiển.

6



Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

1.6. Chọn động cơ motor van
Động cơ điều khiển van ta sẽ chọn là động cơ bước. Động cơ bước là động cơ
quay theo các góc bước được điều khiển bởi các xung rời rạc. Động cơ bước thường
đạt độ chính xác rất cao và không tồn tại các sai số tích lũy. Chính vì vậy động cơ bước
được sử dụng rất nhiều trong các bài toán điều khiển yêu cầu độ chính xác cao mà
không cần phản hồi.
1.6.1. Giới thiệu chung về động cơ bƣớc.
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 roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần
thiết. Mỗi một vòng quay của động cơ được thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các góc
bước, là các góc quay của roto mỗi khi cuộn dây của stato bị đảo cực tính. 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.
Động cơ bước thường được sử dụng nhiều trong điều khiển vì những ưu điểm
sau:


Góc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển suy ra rất dễ điều khiển
theo xung. Tốc độ quay phụ thuộc tần số xung đầu vào.



Momen ở chế độ giữ lớn.



Vị trí góc quay rất chính xác vì thường không có sai số tích lũy sang các góc

bước tiếp theo.



Dễ dàng điều khiển khởi động, dừng và đảo chiều quay.



Không có chổi than nên làm việc đáng tin cậy.



Chi phí thấp, chế tạo đơn giản.



Có một dải rộng về độ phân giải góc quay.

Bên cạnh đó vẫn tồn tại những nhược điểm khi ta sử dụng động cơ bước trong các
bài toán điều khiển như sau:


Tốc độ quay không cao.



Động cơ làm việc không đều đặc biệt là khi tốc độ thấp.
7



Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính



Tiêu thụ dòng điện không phụ thuộc vào tải, momen giảm theo tốc độ.



Kích thước rất hạn chế.



Làm việc ồn.

1.6.2. Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bƣớc.
Động cơ bước được chia làm ba loại chính:


Động cơ biến từ trở.



Động cơ nam châm vĩnh cửu.



Động cơ lai.

Trong đó động cơ lai khá giống với động cơ nam châm vĩnh cửu và trong phạm vi
đồ án em làm bằng động cơ nam châm vĩnh cửu nên em chỉ tìm hiểu qua về động cơ

biến từ trở và sẽ đi sâu vào nghiên cứu động cơ nam châm vĩnh cửu.
a)

Động cơ biến từ trở.
Để đơn giản phân biệt hai loại động cơ biến từ trở và nam châm vĩnh cửu ta xoay

roto bằng tay. Động cơ nam châm vĩnh cửu sẽ có từ dư làm cho roto bị giật cục như
đang ăn khớp bánh răng trong khi đó động cơ biến từ trở thì hầu như quay trơn.
Mối quan hệ giữa góc bước, số răng roto và số cực stato được biểu diễn bằng
công thức sau.
=(

)

(1.2)

Trong đó:


là góc bước ( )



: số cực stato.



: số răng roto

Hình 1.5. Sơ đồ đấu dây và mặt cắt động cơ bước biến từ trở

8


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

b)

Động cơ nam châm vĩnh cửu.
Động cơ nam châm vĩnh cửu có roto là một nam châm vĩnh cửu với các cực bắc –

nam nằm xen kẽ nhau xung quanh biên dạng hình trụ của roto. Các cực roto đứng cạnh
hoặc đối diện nhau thì ngược dấu nhau. Stato có các cuộn dây cuốn quanh các rãnh đối
diện nhau tạo thành các cực stato. Khi cấp dòng điện một chiều cho cuộn dây cực stato
sẽ tạo thành một nam châm điện và hút các cực từ của roto làm roto quay đi một góc
bước. Động cơ càng nhiều cực roto và stato thì các góc bước càng nhỏ.

Hình 1.6. mặt cắt ngang động cơ đơn cực roto 2 cực
Động cơ đơn cực là động cơ nam châm vĩnh cửu có hai cuộn dây stato được đấu
theo sơ đồ hình 2.4.3 với một nấc phân ở giữa mỗi cuộn dây. Nấc phân ở giữa mỗi
cuộn dây này sẽ được nối với cực dương của nguồn và hai đầu còn lại của mỗi cuộn
dây được luân phiên nối đất để đảo chiều từ trường sinh ra bởi các cuộn dây đó.

Hình 1.7. Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ đơn cực roto 6 cực

9


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Hình trên là sơ đồ đấu dây của động cơ nam châm vĩnh cửu có góc bước 30 .

Cuộn dây số 1 cuốn quanh các cực stato trên và dưới, cuộn dây số 2 cuốn quanh các
cực stato trái và phải. Roto là một nam châm vĩnh cửu có 6 cực. ( 3 cực nam và 3 cực
bắc). Dòng điện sẽ chạy từ nguồn qua điểm phân nấc tới đầu a của cuộn dây 1 làm cho
cực stato trên trở thành cực bắc và cực stato dưới trở thành cực nam của các nam châm
điện. Các cực này sẽ hút các cực roto ngược dấu làm roto quay tới vị trí trên hình vẽ.
Nếu ngắt dòng qua cuộn 1 và cấp dòng cho cuộn 2 thì roto sẽ quay được một góc 30
hay là một bước. Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào
hai cuộn dây của đông cơ theo dãy.
Winding 1a 1000100010001000100010001
Winding 1b 0010001000100010001000100
Winding 2a 0100010001000100010001000
Winding 2b 0001000100010001000100010
time --->
Winding 1a 1100110011001100110011001
Winding 1b 0011001100110011001100110
Winding 2a 0110011001100110011001100
Winding 2b 1001100110011001100110011
time --->
Dãy bên trên chỉ cấp điện cho một cuộn tại một thời điểm, như mô tả trong
hình trên. Vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên dưới đòi hỏi cấp điện cho cả hai
mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên trên 1.4 lần
trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.

10


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau. Kết quả, kết hợp 2
chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại

những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:
Winding 1a 11000001110000011100000111
Winding 1b 00011100000111000001110000
Winding 2a 01110000011100000111000001
Winding 2b 00000111000001110000011100
time --->
1.6.3. Tính toán momen trong động cơ bƣớc
Momen của động cơ được tạo ra bởi lực hút giữa các cực stato và roto. Khi các
cực này càng gần nhau thì lực hút càng mạnh. Do đó momen động cơ phụ thuộc vào vị
trí góc của roto. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen và vị trí góc của roto gọi là
đường cong momen. Hình dáng của đương cong này phụ thuộc vào hình dáng hình học
của các cực roto và stato. Với động cơ nam châm vĩnh cửu thì đường cong này có dạng
hình sin. Với góc bước của động cơ là S radian chu kì đường cong momen của động cơ
nam châm vĩnh cửu 2 cuộn dây sẽ là 4S.

Hình 1.8. Đường cong momen của động cơ nam châm vĩnh cửu hai cuộn dây.
Momen của động cơ nam châm vĩnh cửu 2 cuộn dây lý tưởng có thể được biểu
diễn bằng công thức sau:

T = - h.sin(
 T: là momen động cơ.
11

)

(1.3)


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính


 h : là momen giữ ( momen lớn nhất hay là biên độ đường cong momen)
 S : góc bước (radian) độ phân giải góc quay của động cơ.


: góc trục (radian) góc quay của roto.

1.6.4. Điều khiển động cơ bƣớc.
Trong phạm vi đồ án của mình em sử dụng loại động cơ bước đơn cực nam châm
vĩnh cửu. Bước góc 1.8 độ/ bước. Điện áp định mức 5.16V dòng điện định mức 1.2A.
Momen 100Ncm. Có 6 dây tín hiệu trong đó ta có thể sử dụng 4 dây tín hiệu để điều
khiển. Đó là các dây A+, B+, A-, B- các dây sẽ lần lượt được nối vào đầu ra của mạch
driver. Driver có nhiệm vụ cấp xung để điều khiển động cơ.
Cấu trúc điều khiển đơn giản không phản hồi:

Hình 1.9. Cấu trúc điều khiển động cơ bước đơn giản.
Việc điều khiển động cơ bước chính là việc đóng cắt các dòng qua các cuộn dây
theo một tuần tự xác định. Bộ điều khiển chuyển mạch cho động cơ đơn cực điển hình
được thiết kế theo nguyên lý sau.

12


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ đơn cực.
Đầu vào của mạch điều khiển là các xung. Thành phần của mạch là các bán dẫn,
vi mạch. Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistor
công suất T1 đến T4 thực hiện.Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể
quay
Khi đóng mở chuyển mạch sẽ tạo ra các sức điện động tự cảm. Do sức điện động

tự cảm luôn ngược chiều với sự thay đổi dòng điện nên khi đóng chuyển mạch, dòng
điện bắt đầu tăng lên sẽ tạo ra một sức điện động tự cảm ngược chiều với điện áp
nguồn, do vậy làm giảm điện áp đặt lên cuộn dây, dẫn tới việc tăng lên chậm của dòng
điện. Khi mở chuyển mạch, dòng điện giảm xuống tạo ra sức điện động tự cảm cùng
chiều với điện áp nguồn. Do vậy làm tăng điện áp đặt lên cuộn dây. Điện áp này có giá
trị lớn và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn có thể phá hỏng bộ chuyển mạch.
Chính vì thế cần có phương án bảo vệ chuyển mạch một cách thích hợp.

Hình 1.11. Phương pháp bảo vệ chuyển mạch bằng điot.
13


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

1.7. Tính chọn encoder
Để xác định được chính xác độ mở của van điều khiển tuyến tính. Ta nhất thiết
phải đọc được giá trị phản hồi số vòng quay được của động cơ van từ đó ta sẽ tính toán
được vị trí mở của van tuyến tính. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định
số vòng quay của động cơ bao gồm dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder. Hệ thống
encoder quang bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại), một cảm biến
quang và một đĩa có chia rãnh. Encoder quang lại được chia thành 2 loại: encoder
tuyệt đối và encoder tương đối. Trong nội dung của đồ án này em chỉ sử dụng encoder
tương đối để đọc giá trị số vòng quay của động cơ van.

Hình 1.12. Cấu tạo đĩa quay của encoder quang .
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index).
Tuy nhiên ta thường tập trung vào hai kênh tín hiệu A và B. Tín hiệu xung từ kênh B
có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 . Bằng cách phối hợp kênh A và B người
đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.


14


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Hình 1.13. Hai kênh A, B lệch pha nhau góc 90 trong encoder.
Hình trên cùng trong hình 1.13 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B
lệch pha nhau. Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được
hồng ngoại xuyên qua, và ngược lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh. Xét
trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Ta
quan sát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở
mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải
qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy,
bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay
(thông qua số xung) mà còn biết được chiều quay của động cơ.
Từ những phân tích về nguyên lý hoạt động cũng như cách đọc tín hiệu từ
encoder bên trên em sẽ chọn loại encoder quang cho đồ án của mình là loại động cơ
encoder 334 xung.


Điện áp hoạt động 5V



Dòng tiêu thụ 20mA



Chuẩn Jack 2.0




334 xung với 2 kênh A, B lệch pha nhau góc 90 .
15


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính



Độ phân giải 334

4 = 1336

Hình 1.14. Động cơ encoder quang 334 xung

1.8. Driver điều khiển động cơ bƣớc TB 6560
Driver hay còn gọi là mạch lái, chính là mạch dùng để giao tiếp giữa vi điều
khiển với động cơ để điều khiển động cơ. Đối với động cơ bước, có rất nhiều mạch
driver từ đơn giản cho đến phức tạp tùy thuộc vào mục đích điều khiển mà ta có thể
lựa chọn sao cho phù hợp nhất. Trong đồ án của mình em sử dụng modul TB6560.
1.8.1. Sơ đồ mạch nguyên lý modul TB6560
TB 6560 là một IC lái chuyên dụng do hãng Toshiba sản suất dùng để lái cho
mạch điều khiển động cơ bước. Chúng có những thông số cơ bản sau:
Nguồn cấp: cấp nguồn 5V cho IC tại chân 20 (chân Vcc). 4 chân 9, 12, 13, 16 nối
vào 4 dây của step motor. Chân step (chân số 3) là chân cấp xung vuông để điều khiển
motor quay. Chân dir ( chân số 21) là chân quy định chiều quay của động cơ. Chân
Enable số 4 là chân cho phép động cơ chạy hoặc dừng. Nối vào mức cao thì động cơ
quay còn mức thấp thì động cơ dừng.


16


Chương 1: Cơ sở lý thuyết van điều khiển tuyến tính

Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý mạch driver TB6560
1.8.2. Cấu trúc modul điều khiển TB6560

Hình 1.16. Cấu trúc modul TB6560
Chức năng các khối:


Khối nguồn:
17