Động cơ bước, Điều khiển DC Step bằng driver A4988, Arduino Uno R3

Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý 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 các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết Động cơ bước là một loại động cơ mà bạn có thể quy định được góc quay của nó. Ví dụ một động cơ bước 1,8 độ/bước quay hết 1 vòng 360 độ thì mất 200 bước (gọi là FULL STEP). Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay sẽ êm hơn   Liên hệ làm Đồ án và Mạch điện tử Phone : 0967.551.477 Zalo    : 0967.551.477 FB      : Huỳnh Nhật Tùng Email : dientunhattung@gmail.com Địa Chỉ: 171/25 Lê Văn Thọ, P8, Gò Vấp, Tp HCM Chi tiết: Nhận làm mạch và đồ án Điện tử

1. Linh kiện cần thiết làm mạch điều khiển động cơ bước DC Step

1.1 Vi điều khiển Arduino Uno R3 trong mạch động cơ bước DC Step

a. Giới thiệu

Arduino Uno R3 (Dip) có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối). Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…). Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit cho đến 32 bit, vi xử lý 4 bit hiện nay không còn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64 bit. Lý do sự tồn tại của vi xử lý 8 bit là phù hợp với một số yêu cầu điều khiển trong công nghiệp. Các vi xử lý 32 bit, 64 bit thường sử dụng cho các máy tính vì khối lượng dữ liệu của máy tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt. Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bit như hệ thống điện của xe hơi, hệ thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất, …

b. Chức năng của Arduino R3:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2⁸-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).  Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
• Arduino Uno R3 có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 2¹⁰-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V  → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

 

1.2 Động cơ bước DC Step

a. Giới thiệu

• Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý 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 các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết
• Động cơ bước là một loại động cơ mà bạn có thể quy định được góc quay của nó. Ví dụ một động cơ bước 1,8 độ/bước quay hết 1 vòng 360 độ thì mất 200 bước (gọi là FULL STEP). Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay sẽ êm hơn

b. Thông số kỹ thuật

• Kích thước bao: 42mm x 42mm
• Kích thước trục: 5mm
• Lưu ý sản phẩm có chân nguồn trực tiếp mà sẽ lấy nguồn từ driver động cơ bước để chạy
• Đầu cốt 5mm khuyết 1 bên để dễ dàn bắt puly chống xoay (tuột bước,mất bước)
• Bước 1.8 độ – 1.2A

c. Những loại động cơ bước – Step Motor

Việc phân loại động cơ Step cũng có thể chia thành nhiều cách. Cách 1: Phân loại động cơ Step theo số pha động cơ.

• Động cơ Step 2 pha tương ứng với góc bước 1.8 độ.
• Động cơ Step 3 pha tương ứng với góc bước là 1.2 độ.
• Và cuối cùng là động cơ Step 5 pha với góc bước là 0.72 độ.

Cách 2: Phân loại động cơ bước theo rotor.

• Động cơ có rotor được tác dụng bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu.
• Động cơ thay đổi từ trở. Đây là loại động cơ có rotor không được tác động nhưng có phần tử cảm ứng.

Cách 3: Phân loại theo cực của động cơ.

•  Động cơ đơn cực.
•  Động cơ lưỡng cực.

d. Cấu tạo của một động cơ bước. Step Motor có cấu tạo như sau: – 1 Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại chia thành các cặp cực xếp đối xứng nhau. – Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây.

Cách hoạt động.

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, Step motor quay theo từng bước một nên nó có độ chính xác cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử. Các mạch điện tử sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển vào stato theo 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.

e. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ bước – Step Motor.

• Ưu điểm.

• Step Motor có ưu điểm là khả năng cung cấp moment xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình.
• Một động cơ bước trên thị trường khá bền, giá thành cũng tương đối thấp.
• Việc thay thế cũng khá dễ dàng.
• Không nên dùng Step Motor cho các thiết bị đòi hỏi tốc độ cao.

• Nhược điểm.

• Step Motor hay xảy ra có hiện tượng bị trượt bước. Lí do bởi vì lực từ yếu hay nguồn điện cấp vào không đủ.
• Khi hoạt động thì Step Motor thường gây ra tiếng ồn và có hiện tượng nóng dần. Với những Step Motor thế hệ mới thì việc độ ồn và nóng của động cơ giảm đáng kể.

1.3 Module Driver A4988

a. Giới thiệu

A4988 là một trình điều khiển vi bước để điều khiển động cơ bước lưỡng cực có bộ dịch tích hợp để vận hành dễ dàng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển của chúng ta hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước.

A4988 là một bộ điều khiển DMOS cực nhỏ với bộ chuyển đổi và bảo vệ quá dòng. A4988 có thể điều khiển được động cơ bước lưỡng cực với dòng điện lên đến 2A với mỗi cuộn dây.

Driver cung cấp năm độ phân giải bước khác nhau: bước đủ, ½ bước, ¼ bước, 1/8 bước và 1/16 bước. Ngoài ra, nó có một biến trở để điều chỉnh đầu ra hiện tại, tắt khi nhiệt độ quá cao và bảo vệ dòng điện chéo.Nguồn vào của nó là từ 3 đến 5,5 V và dòng điện tối đa trên mỗi pha là 2A nếu được làm mát bổ sung tốt hoặc dòng điện liên tục 1A mỗi pha mà không cần tản nhiệt hoặc làm mát.

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp cấp tối thiểu: 8 V
• Điện áp cấp cực đại: 35 V
• Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 1 A (không cần tản nhiệt, làm mát)
• Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 2 A (khi có làm mát, tản nhiệt)
• Điện áp logic 1 tối thiểu: 3 V
• Điện áp logic 1 tối đa: 5.5 V
• Độ phân giải: full, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16

c. Cách sử dụng module Driver A4988

• Lựa chọn chế độ full hay 1/2 hay 1/4.. sẽ được thông qua 3 pin MS1 MS2 MS3. Mình thường nối thẳng 3 pin này với công tắc bit 3p để dễ thiết lập từ trên phần cứng. Lưu ý là nếu thả nổi 3 pin này tức là mode full step.
• Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH là tắt module
• Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR
• Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước ( hoặc vi bước)
• Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau

 

2. Hướng dẫn động cơ bước giao tiếp Arduino điều khiển tốc độ bằng biến trở

Phần cứng

Phần mềm

const int stepPin = 3;
const int dirPin = 4; 
int customDelay,customDelayMapped; // Defines variables

void setup() {
// Sets the two pins as Outputs
pinMode(stepPin,OUTPUT);
pinMode(dirPin,OUTPUT);

digitalWrite(dirPin,HIGH); //Enables the motor to move in a particular direction
}
void loop() {

customDelayMapped = speedUp(); // Gets custom delay values from the custom speedUp function
// Makes pules with custom delay, depending on the Potentiometer, from which the speed of the motor depends
digitalWrite(stepPin, HIGH);
delayMicroseconds(customDelayMapped);
digitalWrite(stepPin, LOW);
delayMicroseconds(customDelayMapped);
}
// Function for reading the Potentiometer
int speedUp() {
int customDelay = analogRead(A0); // Reads the potentiometer
int newCustom = map(customDelay, 0, 1023, 300,4000); // Convrests the read values of the potentiometer from 0 to 1023 into desireded delay values (300 to 4000)
return newCustom; 
}

3. Hoạt động của mạch điều khiển động cơ bước DC Step

Khi cấp điện hệ thống hoạt động, vi điều khiển hiển thị thông tin ban đầu. Lúc này vi điều khiển chờ tín hiệu từ nút nhấn hoặc biến trở đưa vào. Khi nhận tín hiệu vi điều khiển tính toán, xử lý dữ liệu sau đó điều khiển động cơ chạy dừng, quay thuận hoặc quay nghịch bằng nút nhấn, ngoài ra điều khiển tốc độ quay của động cơ bằng biến trở.

4. Cụ thể hoạt động của mạch điều khiển động cơ bước DC Step:

Ngoài ra còn nhiều Phần và các môn khác

Đồ án điện tử, Lập trình vi điều khiển tổng hợp File đồ án – Phần 1 Mạch điện tử, Lập trình vi điều khiển tổng hợp File đồ án – Phần 2 Thiết kế mạch điện tử, Lập trình vi điều khiển tổng hợp File đồ án – Phần 3 Vi xử lý, Lập trình vi điều khiển Pic – 8051 – Avr – Phần 4 Tổng hợp File ĐỒ ÁN Điện tử cơ bản Tổng hợp File ĐỒ ÁN Viễn thông Tổng hợp File ĐỒ ÁN PLC Tổng hợp File ĐỒ ÁN Cung cấp điện

Chúc các bạn thành công…!!!