Động cơ bước

Động cơ bước

NGUYEN QUANG HUNG - TRAN NGỤC BÌNH

NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT

Nguyễn Quang Hùng - Tran Ngoc Binh

6 - 6T0.1 _ T13- 484 - 03

LỜI NÓI ĐẦU

Trong điêu khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là

một cơ cấu chấp hành đặ©“biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện

trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số Đức, Nhật, Trung Quốc, Mỹ ,v.v là những nước chế tạo nhiêu động cơ bước,

trong đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn và 5 cuộn đây pha

Chúng được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống tự

động, điều khiển xa và nhiêu thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mêm và máy

in trong hệ máy tính; điều khiển robot; điêu khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điêu khiển định vị trong các hệ quang khắc

phúc tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát; điêu khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt;

điêu khiển các cơ cấu lái phương và chiêu trong máy bay v.v

Cuốn sách này trước hết dành cho các cán bộ, kỹ sư, kỹ thuật viên chuyên thiết kế, chế tạo, sử dụng các mạch điện tử nói chung và đặc biệt là các môđun điều khiển động cơ bước nói riêng Cuốn sách cũng có thể là tài liệu tham khảo hữm ích đối với giảng viên và sinh viên trong công tác giảng dạy và học tập các bộ môn có liên quan

Nội đụng sách ấi thẳng vào ba vấn đề : những điểm cơ bản cần biết về động cơ bước (chương một), kỹ thuật thiết kế các

môdun điêu khiển các loại động cơ bước (các chương 2,

chương 3) và một số quan điểm khi ứng dụng động cơ bước, _trong đó các vấn đề về tính toán và thiết kế hệ cơ khí cũng được đề cập khá chỉ tiết (chương 4) Ngoài ra, trong sách còn

có các phụ lục mô tả chỉ tiết hoạt động và ứng dụng gua một số

vỉ mạch đang có trên thị trường và đã ứng dụng,hhiêu vào thực tế

3

Bạn đọc có thể tìm thấy ở đây những ý tưởng mới; những

vấn đề cơ bản được trình bày với cách tiếp cận độc đáo; những

quan điểm hết sức thực tế thể hiện tính cẩn trọng, tỷ mỉ khi

thiết kế các mạch điện tử, các hệ cơ-điện tử và những mẹo vặt

kỹ thuật đơn giản mà mang lại hiệu quả bất ngờ

Những nội dung trình bày trong cuốn sách chủ yếu dựa

trên kết quả nghiên cứu thực tế nhiều năm nay của các tác giả

Tuy đã vận dụng những lý thuyết cơ bản để phân tích và cập

nhật những công nghệ mới nhất có liên quan nhưng nội dung

cuốn sách vẫn có thể còn chưa đây đủ hoặc có những điểm mới

đề xuất cần được trao đổi, thảo luận thêm

Các tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp, phê

bình của đồng nghiệp để các vấn dé nêu ra từng bước được

giải quyết hoàn chỉnh và, nếu có thể, khi tdi ban cuốn sách sẽ

đáp ứng được phần nào yêu cầu của bạn đọc Về những lĩnh

vực kỹ thuật có liên quan cần trao đổi xin liên hệ voi TS

Nguyễn Quang Hùng - KS Trần Ngọc Bình, Viện Tự động hoá,

89° Ly Nam Dé - Hà Nội, Tel 8 236 300

Các tác giả chân thành cám ơn sự đóng góp của hai đông

nghiệp: Trần Thị Sinh và Nguyễn Văn Đức trong việc soạn

thảo văn bản và vẽ sơ đồ nguyên lý các mạch điện của cuốn

sách; cũng như sự giúp đỡ của các đông nghiệp khác cho các

bản vẽ trong Phụ lục 1 và Phụ lục 2

CÁC TÁC GIÁ

MỤC LỤC

Lời nói đâu “¬

\ 0080/11 5

CHUONG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC -.‹ 9

I- Khái niệm chung - 5-5559 hinh 9 II- Nguyên lý hoạt động _¬ Ô l1 II- Mômen đồng bộ và trạng thái Ổn định của động cơ bước 14

IV- Cấu tạo và phân loại động cơ bước .-. 18

1- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Z1 4x rserseee 19 2- Động -cơ bước có từ trở thay đổi :-. - 19

3- Động cơ bước kiểu hỗn hợp -. -+c+c+zss+ 21 CHƯƠNG 2 _ / CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC.25 I- Ba chế độ (Mode) điều khiển động cơ bước 25

1- Biểu thức toán học tổng quát cho ba chế độ điều khiển 25

806,21 28

II- Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước 3 Ì II- Bốn kiểu điều khiển dòng điện I và điện áp U 33

1- Mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp U _— 33 2- Điều khiển dòng-áp bằng hệ số L/R . - 37

3- Điều khiển dòng-áp bằng độ rộng xung - 38

4- Điều khiển dòng-áp bằng điện áp hai mức 39

5- Điều khiển dòng-áp bằng nguồn dòng — 42

IV- Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước 53 wr CHUONG 4

V- Điều khiển chiều quay của động c‹ cơ bước 54 UNG DUNG DONG CO BUGC TRONG C ÁC HỆ

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ MÔĐUN ĐIỀU KHIỂN DONG CO BUOC.59

I- Những quan điểm “chung nhất khi chọn động cơ bước và

I- Modun diéu khiển công suất cho động cơ bước 4 pha 59 môđun điều khiển cho mot hệ truyền động 119

I Điều khiến bảng nguồn dòng 59 1- Khảo sát các tham SỐ bases see , xe, San 120

5 Điệu tế bằng điện áp hai mặc mrurmenrersrsnserrrrsr d3 2- Tính toán cân nhắc trước khi lựa chọn - - 124 II- Mạch công suất đi êu khiển động cơ 2 pha nmemmmmmm 67 3- Chọn kích thước động cơ bằng kinh nghiệm 125

1- Mạch công suất tông quát cho độn 2

2- Giản đồ xung điều khiến cho động cơ 2 pha 70 2- Chon phương án giảm tốc- chu én i 128

_ Ba phương pháp đổi chiều quay đối với động cơ 2 pha 72 II- Một số đề xuất khi sử sử dụng động cơ bước ene 129

Va theo 40 1008 ah rece se TẾ 1- Động cơ bước trong hệ truyền dong Khong 06 0 i 9

5- Điều khiến công suất động cơ 2 pha theo kiểu 2 mức điện 2 Ta chọn modua điều khiển — 130

6- Điều khiển công suất động cơ 2 pha cho chế độ vi bước 3- Lựa chọn bộ giảm tốc và hệ truyền đọng KH HH tên ren 132

và bằng nguồn đòng -2-©+z+©+x+++2EExeetErrxrrrrrk 80 PHU LUC 1

a, Thiết kế nguồn dong theo kiéu Switching 80 GIỚI THIỆU VI MACH L297 VÀ L.298 133

b, Điều khiển công suất động cơ 2 pha bằng nguồn dòng I- Vi mạch điều khiển động cơ bước L297 133

và ở chế độ vi bước . - << s+e<cc<ssssssse 87 1- Các ưu điểm scssceeseeererrsereererserereeee 13

IH- Môđun công suất cho động cơ 5 pha và nhiều pha 89 2- Vị mach L298 va vi mạch L293E - 135 IV- Thiết kế mạch tạo xung điều khiển động cơ bước 95 3- Thiết lập thứ tự điều khiển pha - . - 136

I- Thiết kế mạch tạo xung bằng vi mạch rời 97 4- Các tín hiệu IN1 và IN2 . -ere 140 2- Thiết kế mạch tạo xung bằng linh kiện lập trình 102 5- Các tín hiệu khác -. - -++s+sext+tererereresrrre 140

3- Thiết kế mạch tạo xung bằng bộ vi xử lý 106 6- Điều khiển đòng tải . -+-esereerere 140 4- Thiết kế mạch tạo xung sử dụng các vi mạch đặc chủng 7- Điều khiển dòng bằng tín hiệu pha và bằng tín hiệu

9- Đề xuất ting dung oo csececssssscessssssscsesecssecesees 148 I- Khối công suất cầu kép L298 ¿ 5-5 5- 153 1- Mô tả hoạt động 22c 5c Sc Sex keecerseu 153 2- Chỉ dẫn sử dụng .- 555cc ccecece 160

PHỤ LỤC 2

GIỚI THIỆU VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÒNG

THEO KIỂU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG

II- PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA VI MẠCH

1- Khối giám sát điện áp đầu vào 171 2- Khối tạo điện áp chuẩn .- 5-5-5 scsxscecee 172

3- Khối dao động tạo xung nhịp OSC 173

4- Khối tạo xung điều khiển .- se e- 174

5- Khối tạo tín hiệu điều khiển độ rộng xung 175

IV- Kiểm tra vi mạch và ứng dụng KH eey 177

CHUONG 1 KHAI QUAT VE DONG CO BUGC

I- KHAI NIEM CHUNG? `

Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc biệt gọi là 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 rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị

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 rôto tương ứng với

số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động

cơ bước thì rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto

sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

Về cấu tạo, động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

_ Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có rôto thường là một nam châm vĩnh cửu (số đôi cực 2p = 3) và cần có

9

một cảm biến vị trí rôto (để thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu

điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều) thì

động cơ bước có rôto dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều

cấu thành các cặp nam châm N-S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp

cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto

Nhờ cảm biến vị trí rôto, có thể điều khiển dòng một chiều vào

các cuộn dây stato để có từ trường quay liên tục nên động cơ

một chiều không tiếp xúc quay liên tục Đối với động cơ bước,

vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời

rac nén réto quay theo các bước

Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ,

động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng

thời trên cả rôto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp

cực và các nam châm điện Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc

có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để

khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố này Mặt khác,

trên stato của động cơ đồng bộ giảm tốc, ngoài cuộn dây phụ

(để kích thích) thì cuộn dây chính thường là ba pha hoặc hai

pha được nuôi bằng nguồn xoay chiều fạo ra từ trường quay

liên tục với vận tốc góc œ Vì vậy sau khi hoàn thành việc khởi

động, rôto quay với vận tốc đồng bộ (nhỏ hơn vận tốc của từ

trường quay) Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một

loại cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là

linh kiện (hay dụng cụ) số (Digital Device) mà ở đó các thông

tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay

theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các

lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu (xem hình 1)

10

Một xung bằng một bước -

Số xung bằng số bước (4 xung - 4 bưƯỚc)

Hình 1 Mô hình số hoá động cơ bước

II- NGUYÊN LÝ HOẠT DONG

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rôto của động cơ

bước không có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó

được khởi động bằng phương pháp tần số rôto của động cơ bước có thể được kích thích (rôto tích cực) hoặc không được kích thích (rôto thụ động)

Hình 2 vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto có

Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một

cực (hình 3a) hoặc xung 2 cực (hình 3b)

t

Hình 3 Xung điện ấp cấp cho cuộn dây stato:

a, xung một cực ; b, xung hai cực

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển

cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo

từng nhóm các cuộn dây Trị số và chiều của lực điện từ tổng F

của động cơ và do đó vị trí của rôto trong không gian hoàn

toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các

cuộn dây

Ví dụ, nếu các cuộn dây của động cơ trên hình 2 được cấp

điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự l, 2, 3, m, bởi

xung Ì cực, thì rôto của động cơ có m vị trí ổn định trùng với

trục của các cuộn dây (hình 2a)

Trong thực tế để tăng cường lực điện từ tổng cia stato va

do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp

điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây Lúc đó rôto

của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với

vectơ lực điện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có

Nếu cấp điện theo thứ tự một số chấn cuộn dây, rồi một số

lẻ cuộn dây (ví dụ, kết hợp giữa hình 2b và 2c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chắn sang lẻ và từ lẻ sang chắn thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bang 27/2m Truong hop này được gọi là điều khiển không đối xứng; hay điều khiển nửa bước (Half Step)

Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chắn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2b hoặc hình 2c) thì rôto có m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (Full Step)

Một cách tổng quát, số bước quay của rôto trong khoảng

m: số cuộn dây điều khiển trên stato (số pha);

n; : hệ số, n, = I ứng với điều khiển đối xứng;

n¡ = 2 ứng với điều khiển không đối xứng;

n; : hệ số, nạ = I điều khiển bằng xung l cực ;

n; = 2 điều khiển bằng xung 2 cực

Bước quay của rôfo trong không gian là œ = 360/K

Trường hợp riêng công thức (1) không đúng (sẽ đề cập

sau)

II- MÔMEN ĐỒNG BỘ VÀ TRẠNG THÁI ỒN ĐỊNH CỦA

ĐỘNG CƠ BƯỚC

Biểu thức mômen đồng bộ tính của động cơ bước khác với

biểu thức mômen đồng bộ của động cơ đồng bộ thường có

cùng cấu trúc Sự khác nhau đó là do động cơ bước được cấp

bởi dòng điện một chiều, chứ không phải dòng điện xoay

_—— Trong động cơ được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá

trình quá độ, dòng điện trong các cuộn stato là hằng số

S là tiết điện vuông góc của cặp cực;

œ là góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha;

6 là góc giữa trục cặp cực và đường vuông góc với trục của

cuộn dây pha:

14

Do góc 6 thay đổi nên từ dẫn dọc theo đường đi của từ thông thay đổi theo, làm cho từ thông thay đổi trong một giới hạn rộng Nếu viết biểu thức ® dưới dạng :

®=L.I (Llà điện cảm)

thì sự thay đổi của góc 9 cùng với sự thay đổi khe hở không khí giữa các răng của stato và rôto làm cho điện cam L thay đổi theo dẫn đến từ thông ® và do đó mômen của động cơ thay đổi Mômen đồng bộ tính của động cơ bước khi stato và rôto có

răng và được kích thích, có thể viết dưới dạng tổng của 3 mômen quay

M(@)=M, +Mg +Mgg = Cy -Ig-— +Cy Ig: —® +2Cy Igg-— (0) s R SR M""S d0 M'°°R dd M °" SR de

trong đó: I; , Ip , Ls(8) , La(®) , Lep(8) là các trị số xác lập tương ứng của dòng điện, điện cảm và hỗ cảm của stato (S) và rôto (R); Cự là hằng số, phụ thuộc vào cấu tạo của từng loại

động cơ

Mômen M¿ được hình thành do sự thay đổi từ dẫn của khe

hở không khí trên đường đi của từ thông stato được kích thích

bởi dòng lo

Mạ được hình thành do sự thay đổi từ dẫn trên đường đi

của từ thông rôto được kích thích bởi dòng điện lạ

Mgr được hình thành do sự thay đổi hỗ cảm giữa stato và

rôto được kích thích bởi dòng điện lạ và lạ

Hiện nay, phần lớn các động cơ bước đều có cấu tạo rôto không có cuộn kích thích Do đó biểu thức mômen có dạng đơn giản sau:

| M@)=Cụ.l, d a,

Quan hệ giữa mômen với góc quay 0 thường là không hình sin do ảnh hưởng của cấu trúc răng và cấu trúc cực lồi của stato

và rôto, cũng như do xung điện áp cấp vào có dạng xung vuông

là tổng của các thành phần điều hoà Do đó quan hệ phức tạp

này chỉ có thể biểu diễn được nhờ chuỗi số Fourier và nó có

dạng tổng của các thành phần điều hoà, thậm chí với vận tốc

góc thành phần không phải là bội số lần của vận tốc góc thành

phần cơ bản

Trên hình 4 vẽ đường cong mômen tổng M = f(6) (đường

nét liền) và các thành phần điều hoà của nó (đường nét đứt)

Hình 4 Đường cong mômen của động cơ ˆ

bước theo góc quay Ô ˆ

Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bởi độ dốc của đường cong mômen đồng bộ M = f(), đặc biệt là ở đầu của

vùng làm việc thuộc đường cong này (phần đậm nét của đường

cong M = f(Ô) trên hình 4) Độ dốc của đường M = f() trong

l6

vùng này càng lớn thì suất mômen dM/ d0 càng lớn và khả năng đồng bộ của động cơ bước càng lớn

Gia sử tại một vị trí nhất định, rôio mang một mô men tải

(mômen cản) Mẹ Để giữ được rôto ở vị trí này ta phải cấp

dòng điện cho cuộn dây stato tại vị trí đó và do góc œ = 0 nén

M=M,„ Điều kiện để giữ được rôto không trượt khỏi vị

trí là:

Mc < Monax (3)

Muốn quay rôto đi một góc œ rời khỏi vi tri dang giữ, ta

phải cấp dòng điện cho cuộn stato ở vị trí mới, đồng thời ngắt đòng điện của cuộn stato ở vị trí cũ Điều kiện để rôto quay được góc œ là:

Cần chú ý rằng sự chuyển bước của rôto chỉ thực hiện được trong điều kiện nhất định, khi mà sự dịch chuyển của lực điện

từ F đi một góc œ không làm cho động cơ rơi vào vùng mất ổn

định của đặc tính góc M= f(Ô) (điểm 2 ở đường cong trên

Như vậy bước quay œ = 360°/K cang nho thi momen tai Mc

cho phép trên trục động cơ càng lớn

IV- CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

Để tăng số bước của động cơ (tăng độ phân giải về góc),

theo công thức (1), cần phải tăng số lượng cuộn dây pha m và

tăng số cặp cực p

Việc tăng số lượng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế về kích thước của stato và những trở ngại khi

đặt các bôbin dây quấn vào các rãnh nửa hở của stato, đồng

thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng sẽ phức tạp

hơn Do đó người ta thường làm các động cơ bước với số lượng

pha m đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha và 5 pha; trong đó thông dụng

nhất là 2 pha và 4 pha

Việc tăng số bước của động cơ cuối cùng được giải quyết bằng tăng số lượng cặp cực rôto Rôto động cơ bước tạo thành

nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kỹ thuật đặc biệt có độ từ

hoá cao và chịu được mômen tải lớn, vì chính rôto là bộ phận

chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó

Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các góc bước

trong khoảng từ 0,452 + 15” tuỳ theo mục đích sử dụng Trong

đó thông dụng nhất trên thị trường hiện nay là loại động cơ

bước có góc bước 1,8? (ứng với 200 bước trong một vòng

quay 3600)

Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính:

- Động cơ bước có rôto được kích thích (có dây quấn kích

thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu)

- Động cơ bước có rôto không kích thích (động cơ kiểu

cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng)

18

- Động cơ bước hỗn hợp, kết hợp cả hai loại trên

Sau đây đi chỉ tiết hơn về ba loại động cơ bước nói trên

1- ĐỘNG CƠ BƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỬU

Thường được cấu tạo với stato có dạng hình móng được từ hoá với cực N và S xen kẽ nhau; réto thường không có răng, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) Loại

động cơ này có góc bước trong khoảng 6°+ 45”, tốc độ chậm

Hình 5 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

2- ĐỘNG CƠ BƯỚC CÓ TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Còn gọi là động cơ phản kháng Cả stato và rôto đều có răng Rôto được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở

thay đổi theo góc quay Mỗi răng của stato và rôto gọi là một

cực Mỗi pha trên stato được quấn thành hai cuộn nối tiếp nhau

19

ở vị trí xuyên tâm đối trên stato, thậm chí thành 4 cuộn đôi một

trực giao (hình 6)

Hình 6 Động cơ bước có từ trở thay đổi

Goi Nạ là số răng cua réto, Np 1a s6 pha cua stato, g6c bước

của động cơ được tính theo công thức:

3609 N,.N,

Động cơ vẽ trên hình 6 có góc bước là 15”, vì có số pha là 3

và số răng rôto là 8

Góc bước của động cơ loại này thường từ 1,89+ 30%

Chiều quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều của

dòng điện mà chỉ phụ thuộc vào thứ tự cấp điện trong các cuộn

dây Do đó trong công thức (I) thin, = 1, đối với loại động

co nay

20

Nhìn chung loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm

việc khá cao và chuyên động êm nhưng mômen đồng bộ nhỏ

3- ĐỘNG CƠ BƯỚC KIỂU HỖN HỢP (HYBRID)

Về cấu tạo, nó kết hợp cả hai loại động cơ trên Về tính chất, nó phát huy được các ưu điểm của cả động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ phản kháng: có mômen hãm (khi ngắt điện), có mô men giữ và mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn (góc bước trong khoảng từ 0,45°+ 59)

Hình 7 vẽ cấu tạo động cơ hỗn hợp có góc bước là 1,8°

Cuộn dây stato

Roto (PM)

Hinh 7 Dong co budéc kiéuhénhop +*

21

Hiện nay trên thị trường có mặt chủ yếu là động cơ loại này với cấu tạo 2 pha hoặc 4 pha, góc bước 1,8”

Trên phương diện dòng điện điêu khiển, động nam châm vĩnh cửu có thể phân làm hai loại: động cơ đơn cực (điều khiển

bằng dòng điện đơn cực) và động cơ lưỡng cực (điều khiển

bằng dòng điện lưỡng cực) Về số lượng pha trên stato, động cơ

bước được phân thành loại hai pha, 4 pha và nhiêu pha

quấn kép lông vào nhau, mỗi cuộn quấn thành 2 phần

ở vị trí xuyên tâm doi trén stato

Động cơ bước nam châm vinh cuw2 pha kiểu lưỡng cực

Hai cuộn dây pha đối xứng, vuông góc với nhau và được

quấn thành hai phần ở vị trí xuyên tâm doi trén stato

22 | | | 23

CHUONG 2

CƠ SO LY THUYET DIEU KHIEN DONG CO BUGC

I- BA CHE DO (MODE) DIEU KHIEN DONG CO BUGC '

Trong mục II chương 1 (nguyén lý hoạt động của động

cơ bước) đã đề cập đến hai chế độ điều khiển động cơ bước:

chế độ cả bước và nửa bước

Trở lại hình 2 vẽ nguyên lý hoạt động của động cơ bước Xét về bản chất các lực điện từ, có thể điều khiển rôto cố định vào một vị trí bất kỳ trong khoảng không gian của một bước, chẳng hạn giữa cuộn dây 1 và cuộn dây 2 Sau đây đưa ra cơ sở

lý thuyết của việc điều khiển này

I- BIỂU THỨC TOÁN HỌC TONG QUAT CHO BA CHE ĐỘ

DIEU KHIEN

Hinh 8 vẽ mối quan hệ giữa các vectơ lực điện từ F;, F; của

2 cuộn dây 1 va 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và

B: góc cần điều khiển (góc vi bước );

Nếu ta điều khiển sao cho F, và F; có trị số không bằng

nhau thì lực điện từ tổng F sẽ có hướng thay đổi trong khoảng

góc bước œ (Từ cạnh OA đến cạnh OB của tam giác

OAB - hình 8) và do đó vị trí của rôto thay đổi được và có thể

cố định vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bước a

‘Goi B 1a góc vi bước tạo bởi vectơ F¡ và F, áp dụng tính

chất của hình bình hành (OACPB) và các hệ thức lượng trong

tam giác cho các tam giác OAB, OAC, và OAD (hình §), ta có

các biểu thức sau:

(AB/2)? = OA? + (OC/2)? - 2 OA (OC/2) cos B

Từ (7), (8) và (9) suy ra:

JOA? +OB? + 20A0B.cosa

Từ công thức tổng quát (11) suy ra các trường hợp sau đây:

1 Điều khiển cả bước

- Đầu tiên cho F; z 0 và F, = F, cosB = F/F = I nên B =0,

roto Ở vị trí trục cuộn dây 1

- Sau đó cho F¡ = 0 và F; = F, cosB =cosœ hay B = œ, Rrôto ở vị trí trục cuộn dây 2

2 Điêu khiển nửa bước

- Đầu tiên cho F; = 0 va F, = F, réto ở vị trí trục cuộn dây l

- - Tiếp theo cho Fị= F,=F,

l+cosœ _ 2cos/(œ/2)

cos = /2(1 + cosa) - xJ4cos? (a /2)

cosB = cos(a/2) ,B = a/2 ; rôto ở vị trí chính giữa góc aL

- Sau dé cho F, = 0 va F, = F, roto sé 6 vi trí trục của cuộn dây thứ 2

Trong trường hợp này rôto sẽ chuyển động từng bước 0=ơ/2.(B=0, ơ/2, œ)

3 Điều khiển vỉ bước Nếu ta điều khiển sao cho lực F;¡ giảm dần theo từng bước

từ F đến 0 và lực F; tăng dần từng bước từ 0 đến E thì rôto sẽ quay từng bước tir vi tri OA dén OB

Trên thực tế, để rôto có thể quay được các bước đều, chẳng hạn theo vi bước 6 (ví dụ Ø = œ/10), thì phải giải phương trình (11) để tim F, va F, ứng với các góc quay B = 9, 20,

30, , n9 Phương trình (11) là một phương trình bậc 2 với hai

ấn số, về nguyên tắc là không giải được Nhưng với điều kiện biên nhất định phương trình (1l) sẽ giải được Sau _ đây đề xuất

27