giao an dong co buoc

Khi một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước, thì Rotor của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định và gọi là bước của động cơ, khi các xung dặt vào cuộn d

LỜI NÓI ĐẦU

-Trong những năm gần đây, việc ứng dụng vi mạch để điều chỉnh tự động tốc độ động cơ đã được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng Những hệ thống này xuất hiện trong các thiết bị thông dụng nhất như máy xoay sinh tố, đầu máy video…đến những cơ cấu chấp hành tinh vi nhất của người máy Ơû đây, những vi mạch kết hợp với những loại động cơ kiểu mới như: động cơ bước động cơ 1 chiều 3 pha hoặc 4 pha không chổi than đã đáp ứng mọi nhu cầu kinh tế và kỹ thuật do hệ thống đặt ra và ở đây đạt mức cơ điện tử cao Để đạt được mức tương thích này đòi hỏi các hệ thống vi mạch có phạm vi ứng dụng rộng rãi cũng như độ ổn định khi làm việc Hiện nay các vi mạch họ CMOS có nhiều ưu điểm hơn họ TTL như: không

bị lệ thuộc vào lưới điện, miễn nhiễu và có thể giao tiếp thẳng TTL, tổng trở lớn, công suất tiêu tán bé.

-Động cơ bước ngày càng được sử dụng rất rộng rãi trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp: máy khoan công cụ, máy

in, ổ đĩa máy tính, hệ thống ánh sáng cho sân khấu ca nhạc…Thực tế có rất nhiều loại động cơ bước: 2 pha, 4 pha, 8 pha tuỳ từng loại mà ta ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên khi sử dụng động cơ bước cần nhớ một điều rất quan trọng là bước (step) của động cơ và tần số tối đa mà động cơ có thể làm việc Đây chính là mục đích chính của đề tài nghiên cứu để có thể sử dụng nhiều loại động cơ bước tố hơn.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn:

ThS: TRẦN QUANG THỌ

Trang:2

LỜI CẢM ƠN



Em xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến các Quý Thầy Cô, đặc biệt là các Quý Thầy Cô trong Khoa Điện đã tận tình truyền thụ cho em những kiến thức quý báu như ngày hôm nay.Những kiến thức ấy không chỉ cần trong công việc chuyên môn mà còn là bài học thiết thực giúp em hoàn thiện nhân cách của mình.

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy Trần Quang Thọ _giảng viên trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật _đã dìu dắt em trong bước đầøu chập chững làm quen với nghiên cứu khoa học Thầy đã tận tâm hướng dẫn, cung cấp tài liệu cho em trong suốt quá trình thực hiện tập đồ án.Đây sẽ là hành trình quý báu giúp em có thể thực hiện tốt các đồ án sau, đặc biệât là luận án tốt nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn bạn bè và người thân đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành tập đồ án này Đây sẽ là nguồn động lực lớn lao giúp em luôn phấn đấu không ngừng trong học tập.

Cuối cùng, em xin kính chúc Quý Thầy Cô luôn dồi dào sức khỏe để hoàn thành tốt sự nghiệp trồng người cao quý của mình.

Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngày 30 Tháng 05 Năm 2005

SVTH: Lê Tuấn Thắng

MỤC LỤC

Phần l:

ĐỘNG CƠ BƯỚC

I.GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

III.VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ BƯỚC.

IV ĐẶC TÍNH MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC.

V CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC.

Phần ll:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

I GIỚI THIỆU CHUNG.

II MỘT SỐ MẠCH TẠO XUNG THƯỜNG GẶP.

III SỰ HOẠT ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO.

IV ỨNG DỤNG CỦA MẠCH VI XỬ LÝ.

V KẾT LUẬN CHUNG.

Trang:4

PHẦN I : ĐỘNG CƠ BƯỚC

- Động cơ bước có những đặt điểm về kỹ thuật sau:

 Có bước dịch chuyển bé, độ chinh xác cao

 Moment quay đồng bộ đủ lớn đảm bảo được sai số nhỏ nhất khi thực hiện bước di chuyển

 Không tích luỹ sai số khi tăng bước

 Không có tính dao động tự do khi thực hiện bước

 Tác động nhanh

 Động cơ và cả bộ điều khiển có cấu tạo đơn giản

Theo tính chất cấu tạo của Rotor ta có thể chia thành 3 loại động cơ bước:

 Loại Rotor là nam châm vĩnh cửu gọi là động cơ bước kiểu tác dụng

 Loại động cơ bước kiểu phản kháng

 Loại động cơ bước kiểu cảm ứng

- Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi lệnh điều khiển dưới dạng xung điều khiển thành góc quay xác định của trục động cơ hay là sự duy chuyển xác định của cơ cấu chấp hành mà không có cảm biến phản hồi Khi một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước, thì Rotor của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định và gọi là bước của động cơ, khi các xung dặt vào cuộn dây phần ứng liên tục thì Rotor sẽ quay liên tục

- Vị trí của động cơ bước được xác định bằng số lượng xung và vận tốc của động cơ tỉ lệ với tần số xung, và được xác định bằng số bước/giây Tính năng của động cơ bước được đặt trưng bởi bước được thực hiện, đặc tính góc, taà©n số xung giới hạn sao cho quá trình quá độ, khi hoàn thành một bước có thể tắt đi

trước khi bắt đầu bước tiếp theo Tính năng mở máy của động cơ, được đặt trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho Rotor mất đồng bộ Tuỳ theo kết cấu của từng động cơ, mà tần số động cơ có thể tiếp nhận được từ

10 đến 10.000 Khz

- Bước của động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao Bước của động cơ phụ thuộc vào tần số của động cơ, số cực Stator, số răng của Rotor và phương pháp điều khiển bước đủ hoặc điều khiển nửa bước Tuỳ theo yêu cầu về độ chính xác và kết cấu của động cơ mà bước của động cơ thay đổi từ 1800 –

0.180 Trong đó: động cơ bước nam châm vĩnh cửu dạng cực móng và có từ trở thay đổi từ: 60 – 450, động cơ bước có từ trở thay đổi có góc bước nằm trong giới hạn từ: 1.8 – 300, và động cơ bước hỗn hợp có góc bước thay đổi trong khoảng 0.36 – 150 các giá trị góc các loại động cơ kể trên được tính trong chế độ điều khiển bước đủ

- Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần ứng được cấp xung điều khiển Nhiệm vụ này do bộ chuyển phát thực hiện

- Số cuộn dây phần ứng của động cơ bước được chế tạo từ 2-5 cuộn dây pha và được đặt đối diện nhau trong các rãnh ở Stator Đối với cuộn dây phải có hai cuộn dây thì chỉ dùng trong điều khiển lưỡng cực, với 4 cuộn dây có thể dùng cho cảhai chế độ điều khiển lưỡng cực và điều khiển đơn cực

- Động cơ bước thường làm việc trong mộy tổ hợp chung với các vi mạch dùng cho hệ truyền động bước Vai trò các vi mạch này là dùng để chuyển mạch các cuộn dây điều khiển của động cơ theo thứ tự và tần số tương ứng với số cuộn dây điều khiển được chuyển mạch Hướng qua thì tương ứng với trình trự chuyển mạch và cuối cùng là tốc độ quay tương ứng với tần số chuyển mạch

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC :

-Trang:6

(b)

Trong hình vẽ (a) đường lực từ thông của nam châm vĩnh cửu đi vòng từ cực Bắc (N) sang cực Nam (S) Đặt tính ngẫu lực của nam châm vĩnh cửu có thể ứng với nam châm điện khi có dòng điện I chạy qua cuộn dây.

-Cực tính từ thông của nam châm điện có thể đảo ngược nếu chúng ta đảo chiều dòng điện (Hình b) hoặc đảo chiều cuộn dây (Hình c) với điều kiện dòng điện không đổi

-Như hình vẽ:

-Ta có nam châm vĩnh cửu được gắn trên trục tự do, đó là phần ứng Hai bên là hai cực của nam châm điện là phần Stator với khung kim loại Khi trục a-a/ của nam châm vĩnh cửu không trùng với trục của nam châm điện, lập tức lực từ thông của nam châm điện sẽ hút các từ của nam châm vĩnh cửu, từ thông hợp thành lực Fn=F.cos0, lực này không vuông góc với trục a-a/ kết quả moment xoắn T=R.Fn quay phần ứng theo chiều kim đồng hồ tương ứng với trục a-a/ đồng trục với Stator Điều này tương ứng với trạng thái cân bằng của phần ứng Ơû trang thái này không có moment soắn tác dụng vào phần ứng

-Nếu bị dòng giảm về 0 thì từ trường trong nam châm điện bị khử đi Và nếu có một cặp cực khác nửa ở gần bên có điện thì xuất hiện moment soắn mới dẫn đến xuất hiện lực hút ở các cặp cực Stator mới làm cho phần ứng có trạng thái cân bằng mới Nếu giả sử có nhiều nam châm điện tạo thành những cặp cực xung quanh phần ứng và các cặp cực này hoạt động bởi các xung dòng điện nối tiếp nhau thì phần ứng sẽ hoàn thành bước chuyển động cua Rotor theo chiều chuyển động của từ trường Kết quả chuyển động theo thứ tự chuyển mạch các cuộn dây Stator Đó là nguyên lý làm việc của động cơ bước

-Có nhiều phương pháp điều khiển:

 Phương pháp điều khiển bước đủ: động cơ có m cuộn dây trên Stator thì Rotor có m vị trí Như vậy góc quay của Rotor ở 2 vị trí liên tiếp nhau là: 2mπ

 Phương pháp cung cấp theo từng nhóm cuộn dây Nếu cung cấp riêng lẽ xung điện áp tới từng cuộn dây thì vị trí của Rotor trùng với vectơ lực điện từ Fđt nghĩa là tăng từ thông và moment đồng bộ phương pháp này

 Phương pháp điều khiển không đối xứng hay điều khiển nửa bước Nếu cấp điện theo kiểu phối hợp cả 2 phương pháp trên xen kẻ nhau nghĩa là một số lẽ với một số chẵn các cuộn dây được cấp điện thì số vị trí của Rotor tăng lên gấp đôi là 2m khi đó số quay của Rotor sẽ giảm

đi một nửa

m

2

2π Khi đó góc bước của Rotor là:

k

360

=

α Với k = m.n1.n2.p Trong đó: k: làbước quay của Rotor

p: số đôi cực của Rotorm: số pha của Stator

1 : điều khiển đối xứng

2 : điều khiển không đối xứng

1 : điều khiển bằng xung đơn cực

2 : điều khiển bằng xung lưỡng cực

-Để tăng số bước k cần phải tăng số lượng cuộn dây pha m và số cặp cực

p nhưng khi tăng m thì gặp phải hạn chế về kích thước Stator và khó khăn khi quấn dây Đồng thời mạch điều khiển sẽ phức tạp hơn nhiều số pha số pha thông dụng của động cơ bước là 2 pha và 4 pha Thông thường động cơ bước được chế tạo có góc bước trong khoảng 0.45 – 150 thông dụng nhất là động cơ bước có góc bước α = 1,80 ứng với k =200

III VẬN HÀNH ĐỘNG CƠ BƯỚC:

- Vận hành động cơ bước phụ thuộc vào sự điều khiển các xung theo thứ tự đi

vào các pha của các cuộn dây Ưùng dụng các xung cần phải cung cấp cho các cuộn dây pha đủ điều kiện, các dòng này phải đủ lớn trong khi điều chỉnh xung Nhuu vậy, để vận hành động cơ bước ta phải cần thiết kế mạch thứ tự logic, ngõ

ra mạch logic cung cấp theo thứ tự yêu cầu của các cuộn dây pha Đó chính là sự lựa chọn phù hợp với động cơ bước Khi động cơ bước bắt đầu chạy phải cung cấp dòng đúng theo yêu cầu các pha Nhà sản xuất thiết kế bộ điều khiển đặc trưng cho động cơ bước Sự chế tạo này là sự độc quyền của các công ty Để đơn giản, bộ điều khiển có nhiệm vụ vận hành động cơ bước như trên hình sau:

Bộ điều chỉnh dơn giản vận hành động cơ bước

Người vận hành cần phải ứng dụng các xung clock và định hướng ngõ vào chiều quay của động cơ Bộ điều khiển thì dùng các IC vi mạch số Còn bộ điều khiển phức tạp hơn bao gồm điều khiển cung cấp điện cho động cơ và xây dựng những điểm đặc biệt trên bảng thiết kế để vận hành

- Trái ngược với động cơ DC, động cơ bước không dùng chổi than cũng như bộ chuyển mạch để vận hành Để vâïn hành động cơ bước đạt kết quả cao hơn ta dùng bộ điều khiển nối trực tiếp với bộ vi xử lý hay máy tính Khi nối động cơ

DC với hệ thống máy tính đòi hỏi thêm nhiều mạch hơn và hao phí hơn so với động cơ bước Thật vậy, khi dùng động cơ bước ta có thể sử dụng nó từng trạng thái rõ ràng và ở bước dịch chuyển đúng một gia số góc nào đó, điều đó chúng

ta không thể ngạc nhiên Bởi vậy, động cơ bước được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống máy tính như: hệ truyền động ổ đĩa cứng, máy in vi tính, các máy compacdisk … và các bộ điều khiển

IV ĐẶC TUYẾN MOMENT TĨNH CỦA ĐỘNG CƠ:

Đặc tính moment tĩnh động cơ bước

Khi răng Rotor trùng tương ứng với răng Stator thì Rotor ở trạng thái cân bằng Nó ở trạng thái bất định trừ khi các pha ngõ vào bị kích thích Như thế, trạng thái cân băng của Rotor ở góc 0 như hình vẽ: ( trạng thái này động cơ không có Moment)

Nếu Rotor dời sang trạng thái quay ngược chiều kim đồng hồ 1 góc θ1 tương ứng phụ tải ngoài là T2 Động cơ sẽ sinh ra moment ngược lại có chiều thuận kim đồng hồ Nếu Rotor quay theo chiều kim đồng hồ thì động cơ sẽ sinh ra một

+ 0

- 0

moment có giá trị âm và có chiều ngược lại chiều quay Như vậy, động cơ phục hồi lạimoment Nó luôn có hướng về phía gốc trạng thái cân bằng Rotor Kết quả moment của Rotor có dạng sóng sin ( thực tế hình dạng sóng tuỳ thuộc vào cấu trúc của Rotor và Stator) Đặc tuyến nay tuần hoàn với chu kỳ là khoảng cách răng Rotor Pr.

- Đỉnh của đặc tuyến là moment soắn, nó tương ứng với dòng pha và moment này là TH Giá trị đỉnh của moment được cho theo lý lịch máy và nó tương đương Với mức độ dòng điện, khi cấu tạo của Rotor và Stator là nam châm có từ bảo hoà thì không đánh giá được độ tăng moment cũng như độ tăng dòng điện pha Khi Rotor dời sang ½ Pr thì động cơ có moment bằng 0 và nếu dịch chuyển

xa hơn nửa thì Rotor trược về trạng thái cân bằng hay những trạng thái khác nữa Sự duy chuyển này có khoảng cách bằng với bội số khoảng cách răng Rotor

V CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ:

1 Động cơ bước kiểu từ trở: ( variable reluctance stepper motor)

- Động cơ bước kiểu từ trở là động cơ có từ trở thay đổi hay còn gọi là động cơ phản kháng Người ta gọi động cơ bước kiểu từ trở là tại vì từ trở của nam châm được xác địnhbằng Rotor và sự thay đổi răng Stator với vị trí góc của Rotor Một sự hoạt động hoặc những cuộn dây Stator là nguyên nhân Rotor bước tới (hoặc bước lùi) để đạt được một vị trí mà sao cho sự biến đổi của từ hoá trên răng Stator là mhỏ nhất Kiểu động cơ này có góc nằm trong giới hạn từ 1.80- 300

trong chế độ điều khiển bước đủ Moment hãm từ 1 – 50 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 1 KHz và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20 KHz Rotor động cơ điện được chế tạo từ vật liệu dẫn từ Trên bề mặt Rotor thường có nhiều răng, mỗi răng của Rotor hoặc của Stator gọi là một cực Trên 2 cực đối diện thường mắc nối tiếp hai cuộn dây (ví dụ như cuộn dây AAû) tạo thành một phần của động cơ Động cơ như hình vẽ (H-4) là động cơ 4 pha: A,B,C,D, từ trở thay đổi theo góc quay của răng Các cuộn dây AA’, BB’, CC’,

DD’ gọi là các pha Răng của Stator và Rotor được làm bằng thép dẻo để hạn chế tối đa sự dư từ Những cuộn dây trên Stator để tạo lực hút của nam châm để thiết lập vị trí Rotor ng

- Nguyên lý làm việc của động cơ bước có từ trở thay đổi dựa trên cơ sở định luật cảm ứng điện từ Tức là dựa trên sự tác động giữa một trường điện từ và một Rotor có từ trở thay đổi theo góc quay Có 8 cuộn dây trên Stator được nối trong 2 nhóm cuộn dây để tạo thành 4 mạch rời rạc được gọi là pha Mỗi phacó một công tắc riêng (độc lập) Mặc dầu dược trình bày nhu một công tắc cơ khí ở

hình 4f công tắc mỗi pha được điều khiển ở trạng thái rắn.

Ơû hình 4a được trình bày ở vị trí Rotor với công tắc SW1 đóng Khi đó pha A

hoạt động và Rotor ở vị trí có từ trở nhỏ nhất với răng 1 và 4 của Rotor thẳng hàng riêng từng cái răng 1 và 5 của Stator Khi đòng công tắc SW2 và mở công

Trang:10

tắc SW1, khi đó pha B được tiếp sinh lực và đó là nguyên nhân của răng 3 và 6 của Rotor thẳng hàng riêng từng cái với răng 4 và 8 của Stator Khi đó Rotor quay được một góc 150 so với vị trí ban đầu- được trình bày ở hình 7.7-b

Á

Hình 4: các vị trí bước khác nhau tương ứng với công tắc trong hình f của

động cơ bước kiểu từ trở

- Khi đó, Rotor sẽ quay được một góc 150 so với trường hợp SW1 đóng và 300 so với vị trí ban đầu Cứ như vậy lần lược công tắc SW3,SW4,… đóng thì Rotor sẽ

quay và tương ứng với trường hợp đó được trình bày ở hình: ( 4c) và ( 4d) Và cứ

như vậy vòng tua lại tiếp tục cho đến khi đạt được vòng tua như mong muốn hoặc là phần nhỏ của vòng tua đạt được

- Sự điều khiển đóng công tắc theo thứ tự 1 đến 4 được trình bày ở hình 4 làm

kết quả của Rotor quay theo chiều kim đồng hồ -CW-(hay những bước cùng chiều kim đồng hồ) Ngược lại, khi điều khiển đóng công tắc theo thứ tự: 4-3-2-1 là kết quả của Rotor quay theo chiều ngược kim đồng hồ ( hay những bước ngược chiều kim đồng hồ) Như vậy, hướng của động cơ không phụ thuộc chiều dòng điện mà phụ thuộc thứ tự cấp điện cho cuộn dây

Mối quan hệ giữa góc bước và số các răng của Rotor và số răng của Stator là:

Nr Ns

β

Trong đó: β : góc bước

Ns : số răng của Stator

Nr : số răng của Rotor

Như thế góc bước của động cơ bước trong hình 7.7 là:

β= 360

6 8

 Hoạt động của bước nửa:

- Hoạt động bước nửa được hình thành bằng việc giảm bớt mạch nối

tiếp được minh hoạ ở hình 6 cho 3 xung kế tiếp:

Hình 6: sự hoạt động bước nữa liên tiếp của động cơ bước kiểu

từ trở thay đổi với 3 xung liên tục.

- Khi chỉ có pha A hoạt động làm cho vị trí của Rotor như ở hình 6a khi có cả 2 pha: pha A và pha B hoạt động thì Rotor sẽ dịch chuyển vị trí giống như hình 6b

lúc này Rotor sẽ dịch chuyển được 1 góc: 7.50 Khi chỉ có pha B hoạt động thì vị

trí của Rotor được biểu diễn ở hình 6c Như vậy,mỗi một xung Rotor quay một

góc 7.50 theo chiều thuận kim đồng hồ

Bước nhỏ:

- Bước nhỏ được sử dụng 2 pha với dòng không bằng nhau

Giả sử sử dụng hình 6b nhưng ta thay đổi đôi chút Đó là giử nguyên dòng

điện pha A trong khi đó tăng dòng pha B với một số gia rất nhỏ (bằng xung) cho đến khi dòng điện đạt được tối đa có thể được Sau đó, dòng pha A được hạxuống tới 0 giống như số gia rất nhỏ Kết quả là tạo được góc bước rất nhỏ được gọi là bước nhỏ tạo ra một sự hoạt động có tốc độ nhỏ (vận tốc nhỏ) và sự chuyển lớn

Trang:12

(c)(b)

(a)

 Ví dụ : Một động cơ bước có tốc độ chuyển là 200 bước/vòng (1.80 góc bước) Có thể bước nhỏ có một sự chuyển đổi 2000 bước/rev (0,01800 góc bước)

sự điều khiển moment quay được gọi là moment tĩnh; là moment của tải lớn nhất có thể ứng dụng để làm động cơ bước mạnh mẽ Giả sử pha A được kích

(được tiếp nghị lực) và Rotor ở vị trí như hình 7-a Nếu từ vị trí nghĩ của Rotor

được giữ ở góc 150 như hình 7b, kết quả của sức mạnh của lực hút trên răng 1 và

4 của Rotor bằng từng răng của 1 và 5 của Stator phát triển một moment phục hồi Ngắt điện của Rotor sẽ là nguyên nhân nó để vụt nhẹ về sau để trở lại vị trí

như hình 7a.

Hình7: vị trí của Rotor ứng với sự trả lai momenttrong động cơ bước

với phaA được kích

Khi pha A vẫn được tiếp nghị lực (vẫn tiếp tục nhận được xung) thì Rotor được giữ ở góc 300 cùng chiều kim đồng hồ ( 2 bước) như hình 7c Đây là sự

không ổ định của sự thăng bằng của vị trí Bởi vì: răng 1 và 6 của Rotor bằng nhau về sức hút và moment bằng 0