Khảo sát động cơ bước

Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tựđộng, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnhvực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ má

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 2

1 Lí do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Đối tượng nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Phạm vi nghiên cứu 3

PHẦN NỘI DUNG 4

I Giới thiệu động cơ bước 4

II Cấu tạo của động cơ bước 7

III Nguyên tắc hoat động của động cơ bước 9

VI Một số loại động cơ bước 17

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Trong xu hướng phát triển chung hiện nay, khoa học kỹ thuật đóng vai trò then chốt quyết định cho sự phát triển của một đất nước Ngày càng

có nhiều loại máy móc, thiết bị kỹ thuật được phát minh, sáng chế và đưa

vào sử dụng trong thực tế Và máy điện là một bộ phận không thể thiếutrong công nghiệp, giao thông, đời sống,…

Máy điện bao gồm động cơ điện và máy phát điện Máy phát điệnbiến đổi cơ năng thành điện năng Động cơ điện biến đổi điện năng thành

cơ năng Trong thực tế động cơ điện được sử dụng rộng rãi hơn

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số động cơ bước là cơ cấuchấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnhđưa ra dưới dạng số Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tựđộng, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnhvực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máy tính, điềukhiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trítrong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong cáckhí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt,điều khiển các cơ cấu lái phương chiều trong máy bay,…

Động cơ bước là loại động cơ điện có nguyên tắc và ứng dụng khácbiệt với đa số các động cơ điện thông thường Để hiểu rõ hơn sự khác biệt

đó em đã tiến hành tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ

bước Đây chính là lí do em chọn đề tài: “Khảo sát động cơ bước”.

Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn hạn hẹp cũng như

kỹ năng phân tích chưa cao nên còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô vàcác bạn đóng góp thêm ý kiến để đề tài của em thành công hơn Em xinchân thành cảm ơn

2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là tìm hiểu về cấu tạo, nguyêntắc hoạt động của động cơ bước và phân loại động cơ bước, trên cơ sởphân loại để tìm hiểu cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của mỗi loại

3. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Trước hết cần giới thiệu khái quát về động cơ bước, tìm hiểu về cấutạo, nguyên tắc hoạt động của động cơ Sau đó phân loại động cơ bước và

đi sâu nghiên cứu cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của từng loạiđộng cơ bước

4. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động vàphân loại động cơ bước

5. Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động củađông cơ bước và tìm hiểu một số loại động cơ bước

6. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp nghiên cứu lí thuyết: thuthập, xử lí thông tin trên mạng internet, các tài liệu trong sách báo,…cóliên quan đến động cơ bước

PHẦN NỘI DUNG

I. Giới thiệu động cơ bước

Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấphành đặc biệt gọi là động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện

có nguyên tắc và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thôngthường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tínhiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành cácchuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor và có khả năng cốđịnh rotor vào những vị trí cần thiết

Động cơ bước là động cơ điện một chiều không chổi than chia mộtvòng quay đầy đủ vào một số bước bằng nhau Cụ thể, các mấu trong động

cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp củađộng cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính.Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, vàđặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữnguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào.Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phépchúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thểkhởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ mà không cần cảm biếnthông tin phản hồi (một bộ điều khiển vòng hở )

Hình 1: Cấu tạo của một động cơ bước đơn giản (đơn cực)

Như hình 1 minh họa: bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây statorđược sắp xếp theo cặp đối xứng qua tâm Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặcvật liệu dẫn từ có nhiều răng Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyếtđiện - từ trường : các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau.Chiều quay được xác định bởi từ trường của stator, mà từ trường này là dodòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên Khi hướng của dòng thay đổi thì

cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động

cơ (đảo chiều)

• Khung 1: Nam châm điện đầu (1) được bật, hút răng gần nhất củabánh răng rotor Với các răng thẳng hàng với nam châm điện 1,chúng sẽ được giảm tối thiểu từ trở từ nam châm điện bên phải(2)

• Khung 2: Nam châm điện đầu (1) bị tắt, và nam châm điện bênphải (2) được kích hoạt, kéo răng vào liên kết với nó Điều nàydẫn đến rotor quay 3,6 ° trong ví dụ này

• Khung 3: Các nam châm điện dưới (3) đươc kích hoạt, rotor quay3,6 ° tiếp theo

• Khung 4: Các nam châm điện bên trái (4) được kích hoạt, rotor lạiquay 3,6° Khi nam châm điện đầu (1) một lần nữa được kíchhoạt, rotor sẽ quay bằng một vị trí răng, khi có 25 răng, nó sẽ mất

100 bước để quay đủ một vòng trong ví dụ này

Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưacác tín hiệu điều khiển vào stator theo một thứ tự nhất định và một tần sốnhất 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 chuyểnđổi và tần số chuyển đổi

Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vàocuộn dây stator (phần ứng) của động cơ bước, thì rotor (phần cảm) củađộng cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động

cơ Ở đây ta có thể định nghĩa về góc bước (Step Angle) là độ quay nhỏnhất của một bước do nhà sản xuất quy định

Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liêntục thì rotor sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bướcrời rạc)

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện(hay thiết bị) số (Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đãthiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước Động cơbước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu.

Động cơ bước có vai trò rất quan trọng trong điều khiển chuyểnđộng kỹ thuật số, tự động hóa,…vì nó là cơ cấu chấp hành trung thành vớinhững lệnh đưa ra dưới dạng số, nó chấp hành chính xác Ta có thể điềukhiển nó quay một góc bất kỳ, chính xác, dừng lại ở một vị trí nào đó tamuốn Vì vậy nó được ứng dụng nhiều trong tự động hóa và điều khiển số

Máy tính điều khiển động cơ bước là một loại hệ thống định vị điềukhiển chuyển động Nó thường được điều khiển bằng kỹ thuật số như làmột phần của một hệ thống vòng lặp mở để sử dụng trong cơ cấu hoặc ứngdụng định vị

Trong lĩnh vực laser và quang học động cơ bước thường được sửdụng trong các thiết bị định vị chính xác như thiết bị truyền động tuyếntính, giai đoạn tuyến tính, giai đoạn quay, giác kế, điều khiển robot, điềukhiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quantrắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát Sử dụng trongcác lĩnh vực khác là máy móc đóng gói, vị trí của van điều khiển giai đoạncho các hệ thống kiểm soát chất lỏng, điều khiển lập trình trong các thiết bịgia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máybay

Thương mại, động cơ bước được sử dụng trong ổ đĩa mềm, máy quétphẳng, máy in máy tính, máy vẽ, khe máy, máy quét hình ảnh, đĩa CD, ánhsáng thông minh, và ống kính máy ảnh

Rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cơ cấu chuyển động có độ chính xác cao,chuyển động êm cho thấy vai trò của động cơ bước rất quan trọng

II. Cấu tạo của động cơ bước

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loạiđộng cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốccông suất nhỏ.

Cấu tạo của động cơ bước gồm 2 bộ phận chính: phần tĩnh (stator)

và phần quay (rotor)

Hình 2: Cấu tạo động cơ bước

1. Phần tĩnh (stator)

Gồm các bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

 Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã rập sẵn rồighép cách điện với nhau tạo thành khối hình trụ rỗng Bề dàymỗi lá thép thường từ 0,35 mm đến 0,5 mm Phía trong lõi thép

có các rãnh để đặt dây quấn

 Dây quấn stator là loại dây điện từ, có thể làm bằng đồng hoặcbằng nhôm được bọc cách điện Dây quấn stator được chiathành nhiều pha dây quấn, trên mỗi pha lại được chia thànhnhiều cuộn dây, mỗi cuộn dây có W số vòng dây Dây quấnstator tùy theo loại động cơ mà có cấu tạo khác nhau Ở loạiđộng cơ bước lưỡng cực, mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất;

bằng cách đảo chiều dòng điện trong các cuộn dây thì cực từcũng bị đảo Ở loại động cơ bước đơn cực, nó gồm hai cuộndây trên mỗi cực, khi mỗi cuộn dây được cung cấp năng lượng

nó sẽ tạo thành cực bắc nam tương ứng và dòng điện trongcuộn dây không cần đổi chiều

Ngoài ra còn có vỏ máy dùng để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator,

vỏ máy thường làm bằng nhôm hoặc hợp kim của nhôm; hai đầu có nắpmáy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn

2. Phần quay (rotor)

Rotor của động cơ bước tùy theo tưng lại mà có cấu tạo khác nhaua) Rotor của động cơ bước nam châm vĩnh cữu có cấu tạothường không có răng cực từ, được từ hoá vĩnh cửu vuông gócvới trục (ngang trục) và được lồng vào phía trong của stator.Cực từ của rotor thường là 2 hoặc 6 cực từ (N - S) xen kẽnhau

b) Rotor của động cơ bước từ trở biến thiên có răng cực từ Rotorđược làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theogóc quay

c) Rotor của động cơ bước lai là sự kết hợp các đặc điểm rotorcủa động cơ bước nam châm vĩnh cữu và động cơ bước từ trởbiến thiên Rotor được làm bằng nam châm vĩnh cữu nhỏ bọcxung quanh trục, các răng cực từ được làm bằng vật liệu dẫn

từ gắn trên mỗi đầu nam châm vĩnh cữu

III. Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước

Hình 3: Một động cơ bước1) Nguyên tắc hoạt động

Động cơ điện một chiều có chổi than quay liên tục khi đặt điện ápvào hai đầu của nó Động cơ bước được biết đến bởi tính chất quan trọngcủa nó là để chuyển đổi một chuỗi các xung điện vào thành các xungvuông tức là các dịch chuyển trục Mỗi xung di chuyển trục thông qua mộtgóc cố định Động cơ bước có hiệu quả khi các nam châm điện bố trí xungquanh một thiết bị hình bánh răng ở trung tâm Các nam châm điện đượccấp điện bởi một mạch điều khiển bên ngoài, chẳng hạn như một vi điềukhiển Để trục động cơ quay, đầu tiên, một nam châm điện được cung cấpđiện năng, tạo từ tính hút răng của bánh răng Khi răng của bánh răng đượcliên kết với các nam châm điện đầu tiên, nó được giảm tối thiểu từ trở từcác nam châm điện tiếp theo Vì vậy, khi các nam châm điện tiếp theođược bật và nam châm đầu tiên bị tắt, bánh răng quay nhẹ đến vị trí kế tiếp,

và từ đó quá trình này được lặp đi lặp lại Mỗi góc quay được gọi là một

"bước", với một số nguyên các bước tạo thành một vòng quay đầy

đủ Bằng cách đó, động cơ có thể được quay bằng một góc chính xác

Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rotor của động cơ bướckhông có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp

tần số, rotor của động cơ bước có thể được kích thích (rotor tích cực) hoặckhông được kích thích (rotor thụ động).

2) Mạch điều khiển động cơ bước

Hình 4: Sử dụng động cơ bước với truyền động theo kiểu Adafruit

Hiệu suất động cơ bước phụ thuộc rất nhiều vào các mạch truyềnđộng Đường cong momen xoắn có thể được mở rộng với tốc độ lớn hơnnếu các cực stator có thể được đảo ngược nhanh chóng hơn, yếu tố hạn chế

là độ tự cảm cuộn dây Để khắc phục cảm kháng và chuyển đổi các cuộndây một cách nhanh chóng, người ta phải tăng điện áp điều khiển Điều nàycho thấy sự cần thiết phải hạn chế dòng điện là các điện áp cao có thể tạora

Ohm Cảm kháng L xác định tỷ lệ tối đa của sự thay đổi của dòng điệntrong cuộn dây theo công thức cho một điện cảm Vì vậy, khi điều chỉnhbởi một truyền động, tốc độ tối đa của một động cơ bước được giới hạn bởiđiện cảm của nó kể từ lúc tăng tốc, điện áp U sẽ được thay đổi nhanh hơn

so với dòng điện I có thể duy trì Trong thuật ngữ đơn giản tốc độ thay đổidòng điện là L / R (ví dụ như một cảm kháng 10 mH với điện trở 2 Ω sẽmất 5 ms đạt xấp xỉ 2/3 momen xoắn tối đa hoặc khoảng 24 ms để đạtđược 99% momen xoắn tối đa) Để có được momen xoắn cao ở tốc độ caođòi hỏi một điện áp điều khiển rộng với điện trở thấp và cảm kháng thấp

Với một truyền động có thể kiểm soát một điện trở động cơ điện ápthấp với một điều khiển điện áp cao hơn chỉ đơn giản bằng cách thêm mộtđiện trở nối tiếp bên ngoài với mỗi cuộn dây Điều này sẽ lãng phí nănglượng trong các điện trở, và tạo ra nhiệt Do đó, nó được coi là một lựachọn hiệu suất thấp, mặc dù đơn giản và rẻ tiền

Bộ tạo xung để chuyển mạch được gọi là điều khiển dòng điện liêntục bởi vì nó tạo ra một phần dòng điện không đổi trong mỗi cuộn dây chứkhông phải là áp dụng một điện áp không đổi.Trên mỗi bước tiến mới, mộtđiện áp rất cao được áp dụng cho cuộn dây ban đầu Điều này làm chodòng điện trong cuộn dây tăng nhanh chóng kể từ khi trong đó V là rấtlớn Dòng điện trong mỗi cuộn dây được giám sát bởi bộ điều khiển, thôngthường bằng cách đo điện áp trên một điện trở nhỏ nối tiếp với mỗi cuộndây Khi dòng điện vượt quá giới hạn dòng điện quy định, điện áp bị tắthoặc "ngắt quãng", thường sử dụng bóng bán dẫn điện Khi dòng điệngiảm xuống dưới giới hạn quy định, điện áp được bật trở lại Bằng cáchnày, dòng điện được giữ tương đối ổn định cho một vị trí bước cụ thể Điềunày đòi hỏi bổ sung thiết bị điện tử dòng điện trong cuộn dây, và kiểm soát

các chuyển mạch, nhưng nó cho phép động cơ bước được truyền động vớimomen xoắn cao hơn ở tốc độ cao hơn so với các mạch truyền động Điện

tử tích hợp cho mục đích này là phổ biến rộng rãi

3) Dạng sóng dòng điện pha

Một động cơ bước là động cơ đồng bộ AC nhiều pha, và truyền động

lý tưởng của nó bởi dòng điện hình sin Một bước sóng đầy đủ là gần giốngvới toàn phần của một hình sin, và là lý do tại sao động cơ thực hiện rấtnhiều dao động Kỹ thuật điều khiển khác nhau đã được phát triển để gầngiống hơn dạng sóng hình sin: đây là nửa bước và động cơ bước cỡ nhỏ

Hình 5: Chế độ điều khiển khác nhau cho thấy dòng điện trên cuộn

dây 4 pha động cơ bước đơn cựca) Truyền động sóng hoặc truyền động toàn bước (một pha trên)

Trong phương pháp truyền động này chỉ là một pha duy nhất đượckích hoạt tại một thời điểm Nó có cùng một số bước như điều khiển cả

bước, nhưng động cơ sẽ có tốc độ momen xoắn nhỏ hơn đáng kể Nó ít khiđược sử dụng Hình hiển thị ở trên là một động cơ truyền động sóng Tronghình hiển thị ở trên (hình 1), rotor có 25 răng và phải mất 4 bước để xoaybởi một vị trí răng Vì vậy, sẽ có 25 * 4 = 100 bước mỗi vòng quay đầy đủ

và từng bước sẽ là 360/100 = 3,6 0

b) Truyền động toàn bước (hai pha trên)

Đây là phương pháp thông thường để điều khiển đầy đủ bước động

cơ Hai pha động cơ sẽ luôn cung cấp tốc độ momen xoắn của nó tối

đa Ngay sau khi một pha bị tắt, một số khác được bật Truyền động sóng

và một pha đầy đủ bước là một và giống nhau, với cùng một số bướcnhưng sự khác biệt trong momen xoắn

8 bước để xoay 1 vị trí răng Vì vậy, sẽ có 25 * 8 = 200 bước mỗi vòngquay đầy đủ và từng bước sẽ là 360/200 = 1,80 Góc của mỗi bước là mộtnửa của bước đầy đủ

Những gì thường được gọi là động cơ bước cỡ nhỏ thường là "sincos động cơ bước cỡ nhỏ", trong đó dòng điện trong cuộn dây gần giốngmột dạng sóng AC hình sin Sin cos động cơ bước cỡ nhỏ là hình thức phổbiến nhất, nhưng những dạng sóng khác có thể được sử dụng Bất kể cácdạng sóng nào được sử dụng, như các bước nhỏ trở nên nhỏ hơn, hoạt độngđộng cơ trở nên nhẹ nhàng hơn, do đó làm giảm đáng kể cộng hưởng trongbất kỳ bộ phận động cơ có thể được kết nối, cũng như bản thân động

cơ Độ phân giải sẽ được giới hạn bởi các ma sát cơ học, khoảng trống, vàcác nguồn khác của sai số giữa động cơ và các thiết bị đầu cuối Thiết bịbiến đổi có thể được sử dụng để tăng độ phân giải của định vị

Kích thước bước lặp lại là một đặc tính quan trọng của động cơ bước

và một lý do cơ bản để sử dụng trong định vị

Ví dụ: nhiều động cơ bước lai hiện đại đạt tốc độ như vậy mà việcdịch chuyển của tất cả các bước đầy đủ (ví dụ 1,80 mỗi bước đầy đủ hoặc

200 bước quay đầy đủ) sẽ nằm trong 3% hoặc 5% việc dịch chuyển của tất

cả các bước đầy đủ khác, miễn là động cơ được hoạt động trong phạm vihoạt động quy định của nó Một số nhà sản xuất cho thấy động cơ của họ

có thể dễ dàng duy trì 3% hoặc 5% kích thước bước dịch chuyển như kíchthước bước giảm từ đầy đủ bước xuống đến 1/10 bước Sau đó, số bướcchia nhỏ nhất được tăng lên, làm giảm kích thước bước lặp lại Giảm kíchthước bước lớn có thể dẫn đến nhiều truyền động bước nhỏ trước khi bất

kỳ chuyển động xảy ra ở tất cả và sau đó là chuyển động có thể là một

"bước nhảy" đến một vị trí mới

4) Momen xoắn của động cơ bước

Đây là số đo của momen xoắn được tạo ra bởi một động cơ bước khi

nó được hoạt động ở chế độ mà không có gia tốc Ở tốc độ thấp động cơ