Điều khiển động cơ bước

mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bướ

KHOA VẬT LÝ

**************

PHẠM THỊ LÊNH

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học

Th.S VŨ MẠNH QUANG

HÀ NỘI - 2011

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân luôn cổ vũ, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 05 năm 2011

Phạm Thị Lênh

LỜI CAM ĐOAN

Khoá luận được hoàn thành với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong khoa Vật lý trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Th.S Vũ Mạnh Quang

Trong khoá luận có tham khảo các nghiên cứu của các nhà khoa học với

sự trân trọng và biết ơn Tôi xin khẳng định kết quả của đề tài này không trùng lặp với kết quả của đề tài khác Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, tháng 05 năm 2011

Phạm Thị Lênh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

NỘI DUNG 7

Chương 1 LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 7

1.1 Giới thiệu về động cơ bước 7

1.2 Các loại động cơ bước 7

1.2.1 Giới thiệu chung về các loại động cơ bước 7

1.2.2 Động cơ biến từ trở 9

1.2.3 Động cơ đơn cực 10

1.2.4 Động cơ hai cực 12

1.2.5 Động cơ nhiều pha 14

1.2.6 Tóm tắt chương 15

Chương 2 VẬT LÝ HỌC ĐỘNG CƠ BƯỚC 16

2.1 Giới thiệu về vật lý học động cơ bước 16

2.2 Tĩnh học động cơ bước 16

2.3 Điều khiển nửa bước và vi bước 19

2.4 Ma sát và vùng chết 21

2.5 Động lực học 23

2.6 Cộng hưởng 25

2.7 Cộng hưởng và động cơ lý tưởng 27

2.8 Tóm tắt chung 28

Chương 3 CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC CƠ BẢN 30

3.1 Giới thiệu chung về các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản 30

3.2 Động cơ biến thiên từ trở 30

3.3 Động cơ hỗn hợp và nam châm vĩnh cửu đơn cực 33

3.4 Driver động cơ đơn cực và biến từ trở 37

3.5 Động cơ hai cực và mạch cầu H 39

3.6 Mạch điều khiển động cơ hai cực thực tế 43

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

thế giới ngày càng có nhiều phát minh, sáng kiến mang lại những thành quả to lớn cho xã hội loài người

Đất nước ta đang bước vào quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá và hội nhập kinh tế Quốc tế WTO, đó là thời cơ mới để đưa nước ta ngày càng phát triển Để đưa nước ta phát triển thì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Con người, tài nguyên, thiên nhiên, công cụ sản xuất…

Trong bối cảnh hiện nay, trên thế giới đã và đang diễn ra cuộc khủng hoảng kinh tế do vậy việc ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật vào đời sống ngày càng cấp thiết hơn

Sự ra đời của các động cơ với kích thước đơn giản, giá thành thấp, khả năng làm việc cao mang lại những thành tựu sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện

tử Nền công nghiệp thế giới đã đạt được những thành tựu to lớn nhờ ứng dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ Máy móc đã thay thế con người trong nhiều công việc khó khăn và đang dần thay thế con người trong những hoạt động lao động sản xuất

Điều khiển Động cơ bước là một trong những thành tựu quan trọng của khoa học kỹ thuật Trong những năm gần đây, Động cơ bước đã và đang được

sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển chính xác Về cơ bản, đây là phương pháp điều khiển chuyển động duy nhất có khả năng hoạt động trong vòng hở mà không cần đến phản hồi vị trí Cùng với những cải tiến khác về thiết kế như: phần cứng nhỏ hơn và độ tập chung mômen cao hơn

Là một sinh viên chuyên ngành kỹ thuật, muốn nâng cao hiểu biết về kỹ thuật điện tử nói chung và Điều khiển động cơ nói riêng, chúng tôi đã chọn đề tài: “Điều khiển động cơ bước” làm khoá luận tốt nghiệp

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu

Điều khiển động cơ bước

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Vật lý học động cơ bước

Một số ứng dụng của động cơ bước

3 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ bước và điều khiển động cơ bước

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều khiển Động cơ bước là một trong những ứng dụng kỹ thuật mới đã

và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển chính xác

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

6 Cấu trúc luận văn

Khoá luận gồm ba phần:

Chương 1: Lý thuyết về động cơ bước

Đề cập những kiến thức cơ bản về động cơ bước và giới thiệu các loại động cơ bước như: động cơ biến từ trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực, động

cơ nhiều pha

Chương 2: Vật lý học động cơ bước

Nói về vật lý học động cơ bước bao gồm: tĩnh học động cơ bước, điều khiển nửa bước và vi bước, lực ma sát và vùng chết, động lực học, cộng hưởng Chương 3: Các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản

Giới thiệu các mạch điều khiển động cơ bước cơ bản như: động cơ biến thiên từ trở, động cơ hỗn hợp và nam châm vĩnh cửu đơn cực, driver (điều khiển) động cơ đơn cực và biến từ trở

NỘI DUNG Chương 1

LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC

1.1 Giới thiệu về động cơ bước

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ la stato, và rôto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động 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, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế

để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ

Động cơ bước có thể dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại

Động cơ bước trong tiếng Đức là Schrittmotoren, trong tiếng Pháp là Moteurs à pas, và trong tiếng Tây Ba Nha là Motor paso paso Từ step_moto và stepper moto được dùng khá phổ biến

1.2 Các loại động cơ bước

1.2.1 Giới thiệu chung về các loại động cơ bước

Động cơ bước chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở, cũng

có loại động cơ hỗn hợp nữa nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam

châm vĩnh cửu Nếu mất nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ roto của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong roto Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng Ôm kế Động cơ biến từ trở thường có ba mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trung tâm được dùng trong động

cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực

mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay

châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước

Đối với nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, roto ở chế độ không tải sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi momen xoắn vượt qua giá trị momen xoắn giữ của động cơ

1.2.2 Động cơ biến từ trở

Hình 1.1

bước Rôto trong động cơ này có 4 răng và stato có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh

2 cực đối diện Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rôto bị hút vào cực 1

theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2

Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn dây Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1có nghĩa là

có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển này sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng

phép động cơ quay với góc nhỏ hơn Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răng trên roto một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ

1.2.3 Động cơ đơn cực

Động cơ đơn cực cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp với 5,6 hoặc

8 cuộn dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.2, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiêù từ trường tạo bởi cuộn đó

Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động

cơ hỗn hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung này Từ đây khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu hoàn toàn tương tự

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stato, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái động cơ Roto là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc, xếp xen kẽ trên vòng tròn

Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, roto phải có nhiều cực đối xứng

mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế nam châm

là khá lớn Người

ta cũng đã tạo ra một nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.80 và với động cơ

tạo ra cực Bắc trong stato trong khi đó cực còn lại của stato là cực Nam Nếu

, hay là 1 bước Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của động cơ theo dãy:

Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ đựơc kích cùng một lúc

Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên vì vậy nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một momen xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần

Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp hai 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:

ở hình 1.2

mấu: điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần các mạch điều khiển Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ

đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển cho hai loại động cơ này là giống nhau

Chú ý rằng có rất nhiều chip điều khiển cầu H có một đầu vào điều khiển đầu ra và một đầu khác để điều khiển hướng Có loại chip cầu H kể trên, dãy điều khiển dưới đây sẽ quay động cơ giống như dãy điều khiển nêu phía trên: Enable 1 1010101010101010 1111111111111111

Hướng 1 1x0x1x0x1x0x1x0x 1100110011001100

Enable 2 0101010101010101 1111111111111111

Hướng 2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110

thời gian - - >

4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cuộn dây Chú ý là một động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp

1.2.5 Động cơ nhiều pha

Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động

cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 1.4 Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha

Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp momen xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước

bước mỗi vòng, như trình bày dưới đây:

Đầu 1 + + + - - - + + + + + - - - + +

Đầu 2 - - + + + + + - - - + + + + + - - -

Đầu 3 + - - - + + + + + - - - + + + +

Đầu 4 + + + + + - - - + + + + + - - -

Đầu 5 - - - - + + + + + - - - + + + + + -

thời gian - - > Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào đầu đo (bởi vì cả hai đầu của mối có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 1.4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng

Để phân biệt động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữ 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R

Và cũng cần nghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H đầy đủ của nó Để tránh việc tính toán với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng

1.2.6 Tóm tắt chương

Qua chương này, chúng ta đã có thể phân biệt các loại động cơ như động

cơ biến tử trở, động cơ đơn cực, động cơ hai cực, và động cơ này nhiều pha dựa vào cảm nhận bằng tay khi quay rotor và dùng Ohm kế

Việc phân biệt các cặp đầu ra của các cuộn dây cũng có thể suy ra từ việc dùng Ohm kế để đo các đầu dây Tuy nhiên, việc xác định cặp dây ra của từng cuộn dây trong động cơ đơn cực hơi khó khăn hơn một chút

ta dùng Ohm kế để xác định dây nối trung tâm Áp điện áp xoay chiều vào dây trung tâm và một trong 4 dây còn lại Dùng Volt kế xoay chiều đo giữa dây nối trung tâm và 3 dây còn lại Chúng ta sẽ thấy rằng điện áp giữa dây trung tâm với

2 trong 3 dây còn lại đó gần như bằng không, và với dây thứ ba thì gần như bằng điện áp xoay chiều vào động cơ Như vậy, hai dây cho điện áp gần bằng 0 là một cặp, hai dây còn lại sẽ là cặp thứ hai

trong động cơ để tránh nhầm lẫn về sau

- Các dây nối trung tâm luôn được nối với nguồn dương trong mạch điều khiển (kể cả động cơ biến từ trở và động cơ đơn cực)

- Luôn ghi nhớ động cơ bước là động cơ điện một chiều

Chương 2 VẬT LÝ HỌC ĐỘNG CƠ BƯỚC

2.1 Giới thiệu về vật lý học động cơ bước

quan trọng Trong phần này chúng ta sẽ nhắc lại các đơn vị vật lý tiêu chuẩn:

Theo bảng trên, lực một pound sẽ gia tốc cho một khối lượng một slug là một foot trên một giây bình phương Mối quan hệ này giữa các đơn vị của lực, khối lượng và thời gian và khoảng cách trong các hệ đơn vị đo khác cũng giống như vậy Người ta thường lẫn lộn góc thì đo bằng độ và khối lượng lại đo bằng pound rồi lực lại tính bằng kilograms sẽ làm thay đổi kết quả đúng của công thức dưới đây Cẩn thận khi biến đổi những đơn vị không chính quy thành các đơn vị tiêu chuẩn được liệt kê dưới đây trước khi áp dụng các công thức tính toán

2.2 Tĩnh học động cơ bước

Cho một động cơ quay S radian mỗi bước, biểu đồ momen xoắn theo vị trí góc của rotor so với vị trí ban đầu sẽ có dạng gần đúng hình sin Hình dạng thực

tế của biểu đồ phụ thuộc vào các cực của rotor và stator, nhưng trong bảng thông

số (datasheet) của động cơ lại không trình bày các dạng cực Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, biểu đồ momen theo vị trí góc rotor

thường giống như hình sin, nhưng cũng không hẳn vậy Đối với động cơ biến từ trở, đường này giống như hình sin một chút, hình thang một chút nhưng cũng không hẳn là hình răng cưa

Đối với động cơ 3 mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu có góc bước S, chu kỳ của momen so với vị trí sẽ là 3S; hay một động cơ 5 pha, chu kỳ sẽ là 5S Đối với động cơ 2 mấu nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp, loại phổ biến nhất, chu

kỳ sẽ là 4S như được mô tả trong hình 2.1 sau đây:

Hinh 2.1

này có thể mô tả toán học như sau:

T = - h sin ( ( (п /2 ) /S ) θ ) Trong đó:

T : momen xoắn (torque)

h :momen xoắn giữ (holding torque)

θ :góc trục (shaft angle)

Nhưng nhớ rằng, thường thì đường biểu đồ thực không bao giờ có dạng hình sin lý tướng như trên

Momen xoắn giữ (holding torque) trên một mấu (winding) của động cơ bước là giá trị đỉnh của momen xoắn trên biểu đồ khi dòng qua một mấu đạt giá trị lớn nhất Nếu cố tăng giá trị momen xoắn lên cao hơn giá trị đỉnh trong khi vẫn giữ nguyên điện áp kích ở một mấu, roto sẽ quay tự do

thiết Về mặt cơ, một vòng quay của roto là 2п rad Vê phương diện điện, một vòng được định nghĩa là một chu kỳ cúa đường cong momen xoắn đối với góc trục Trong phần này, dùng θ sẽ dùng để chỉ góc trục cơ, và ((п/2)/S) θ để chỉ góc trục điện của một động cơ 4 bước/vòng

Cho rằng đường cong momen xoắn so với vị trí góc gần đúng hình sin Chừng nào mà momen xoắn còn bằng momen xoắn giữ, rotor sẽ nằm trong 1/4 chu kỳ so với vị trí cân bằng Đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp 2 mấu, điều này có nghĩa là roto sẽ giữ nguyên vị trí so với vị trí cân bằng trong phạm vi một bước

bao giờ giảm xuống 0 Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư trong mạch từ của động cơ có thể tạo ra một momen xoắn dư nhỏ, và trong các động

cơ nam châm vĩnh cửư và hỗn hợp, lực hút giữa các cực từ và từ trường vĩnh cửu của roto có thể tạo ra một momen xoắn đáng kể mà không cần cấp nguồn

áp

Momen xoắn dư trong một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp thường được gọi là momen xoắn trên răng của động cơ, bởi vì sẽ có người cho rằng có một kết cấu cơ khí dạng mấu răng nằm ở bên trong động cơ giữ roto lại Thông thường, momen xoắn trên răng biểu diễn theo góc roto không có dạng hình sin,

ở một vị trí cân bằng tại mỗi bước và một biên độ lớn hơn khoảng 10% momen xoắn giữ của động cơ, nhưng nhìn chung các động cơ từ các nhà sản xuất cho ra

giá trị cao đến 23% đối với động cơ nhỏ và dưới 26% đối với động cơ cỡ trung bình

2.3 Điều khiển nửa bước và vi bước

thời cho hai mấu động cơ sẽ sinh ra một momen xoắn theo vị trí là tổng của các

châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong sẽ là S radian khác pha, và nếu dòng qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radian kể từ đỉnh của đường cong gốc như ở hình 2.2:

Hình 2.2

Đây là cơ bản của điều khiển nửa bước Momen xoắn giữ là đỉnh của đường cong momen xoắn kết hợp khi hai mấu có cùng dòng lớn nhất đi qua Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp thông thường, momen xoắn giữ hai mấu sẽ là:

trong đó:

Điều này cho thấy rằng không có phần nào trong mạch từ bão hoà và

momen xoắn theo đường cong vị trí đối với mỗi mấu là hình sin lý tưởng

Hầu hết các bảng hướng dẫn động cơ nam châm vĩnh cửu và biến từ trở

đều chỉ ra momen xoắn giữ hai mấu mà không có đưa ra momen xoắn giữ trên

một mấu; phần nào, có lẽ vì nó chiếm nhiều giấy hơn, và phần nào cũng vì hầu

hết các bộ điều khiển đủ bước thông thường luôn áp điện áp vào cả hai mấu

cùng lúc

Nếu bất kỳ phần nào trong mạch từ của động cơ bị bão hoà, hai đường

cong momen xoắn sẽ không thể cộng tuyến tính với nhau Kết quả là momen

tổng hợp có thể không nằm chính xác tại vị trí S/2 kể từ vị trí cân bằng ban đầu

Điều khiển vi bước cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng

khác nhau qua hai mấu động cơ như trên hình 2.3:

Hình

2.3

Đ

ối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu cho rằng các mạch từ

không bão hoà và các đường cong momen xoắn trên mỗi mấu theo vị trí là một

hình sin hoàn hảo, công thức dưới đây đưa ra những đặc tính chủ chốt của

đường cong momen xoắn tổng hợp:

x = ( S/(п/2)) arctan (b/a) Trong đó:

a – momen xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại 0 radian

b – momen xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại S radian

h – momen xoắn giữ tổng hợp

x - vị trí cân bằng tính theo radian

S – góc bước, tính theo radian

Khi không có bão hoà các momen xoắn a và b tỉ lệ với dòng đo qua các mấu tương ứng Điều này rất thông dụng khi làm việc với các dòng và momen xoắn bình thường, để momen xoắn giữ mấu đơn hoặc dòng cực đại được chấp nhận trong một mấu động cơ là 1.0

2.4 Ma sát và vùng chết

Đường cong momen xoắn so với vị trí được chỉ ra trong hình 2.1 không tính đến momen xoắn động cơ có thể thắng lực ma sát Chú ý rằng lực ma sát có thể được chia là hai loại lớn, lực ma sát nghỉ và lực ma sát trượt, cần phải có một momen xoắn đủ lớn để thắng lại nó, không kể đến vận tốc và ma sát động học hay lực nhớt, hoặc các cản trở khác không phụ thuộc vào vận tốc Ở đây chúng

ta quan tâm đến lực ma sát nghỉ Cho rằng momen xoắn cần thiết để thắng lực

ma sát nghỉ trong hệ là 1/2 giá trị momen xoắn của motor như miêu tả trong hình 2.4:

Đường gạch đứt trong hình 2.4 chỉ ra momen xoắn cần thiết để thắng ma sát,chỉ có một phần đường cong momen xoắn bên ngoài đường gạch đứt là làm

cho rotor chuyển động Đường cong chỉ ra momen xoắn hiệu quả khi có ma sát trục không giống những đường cong này

Hình 2.5 Chú ý rằng tác dụng của lực ma sát gồm hai phần Đầu tiên, tổng momen xoắn hiệu quả để quay tải bị giảm, thứ hai, có một vùng chết nằm ở mỗi vị trí cân bằng của động cơ lý tưởng Nếu rotor động cơ được đặt tại bất cứ đâu trong vùng chết đối với vị trí cân bằng tức thời, momen xoắn ma sát sẽ vượt quá momen xoắn tác dụng bởi các mấu động cơ, rotor sẽ không di chuyển Cho rằng một đường cong hình sin lý tưởng giữa momen xoắn và vị trí khi không có ma sát, độ rộng góc của những vùng chết sẽ là:

d = 2 ( S / ( п/2) ) arcsin( f / h ) = ( S / (п /4) ) arcsin( f / h )

Trong đó:

d - độ rộng vùng chết tính bằng radians

S - góc bước tính bằng radians

f - momen xoắn cần thiết để thắng lực ma sát

h - momen xoắn giữ

Điều quan trọng phải ghi chú về vùng chết là nó giới hạn độ chính xác vị trí sau cùng Một ví dụ, khi lực ma sát nghỉ là 1/2 giá trị đỉnh momen xoắn, một động cơ bước mỗi bước 90° sẽ có vùng chết là 60° Điều đó có nghĩa là các

bước hiệu quả sẽ dao động trong khoảng 30° đến 150°, tuỳ thuộc vào rotor dừng

ở đâu trong vùng chết sau mỗi bước

Sự xuất hiện của vùng chết có một ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển

vi bước thực tế Nếu vùng chết rộng x°, thì việc điều khiển vi bước với độ rộng một bước nhỏ hơn x° có thể sẽ không làm cho rotor quay được một chút nào Vì vậy, đối với các hệ thống định dùng điều khiển vi bước có độ phân giải cao, việc giảm thiểu ma sát nghỉ là rất quan trọng

2.5 Động lực học

Mỗi lần bạn quay động cơ một bước, bạn di chuyển rotor khỏi vị trí cân bằng S radians Điều này di chuyển toàn bộ đường cong được miêu tả trong hình 2.1 một khoảng cách S radians, như Hình 2.6:

Hìn

h 2.6

Điều đầu tiên ghi nhận về quá trình quay một bước là giá trị ngẫu lực hiệu dụng lớn nhất đạt tại giá trị nhỏ nhất khi roto đang quay nửa đường từ bước này sang bước kế tiếp Giá trị nhỏ nhất này xác định momen xoắn động (running torque), giá trị momen xoắn lớn nhất của động cơ có thể đạt được khi nó bước tới trước rất chậm Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu thông thường với những đường cong hình sin lý tưởng của momen xoắn so với vị trí và momen xoắn giữ

điện cho hai mấu cùng lúc, momen xoắn động của một động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu lý tưởng sẽ bằng momen xoắn giữ loại một mấu

Cũng nên ghi nhận rằng ở một tốc độ bước cao, momen xoắn động đôi khi được định nghĩa như là momen kéo ra (pull - out torque) Nghĩa là, nó là momen xoắn lớn nhất mà động cơ có thể vượt qua để quay tải từ bước này sang bước tiếp trước khi tải bị kéo ra khỏi vị trí bước bởi lực ma sát Một vài hướng dẫn động cơ định nghĩa một momen xoắn thứ hai là momen xoắn kéo vào (pull - intorque) Nó là momen xoắn ma sát cực đại mà động cơ có thể vượt qua để gia tốc một tải đang đứng yên đến một tốc độ đồng bộ (vận tốc điều khiển mong muốn) Momen xoắn kéo vào được nêu trong các tài liệu sử dụng động cơ bước

là giá trị không chính xác, bởi vì momen xoắn kéo vào phụ thuộc vào momen ban đầu của tải được sử dụng khi chúng được đo, và một vài bảng hướng dẫn động cơ chỉ ra giá trị này

Trong thực tế, luôn có lực ma sát, vì thế, sau khi vị trí cân bằng quay một bước, rotor giống như dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng mới Quỹ đạo kết qủa có thể tương tự như trong Hình 2.7:

Hình 2.7

Ở đây, quỹ đạo của vị trí cân bằng được biểu diễn bằng đường gạch đứt, trong khi đó, đường cong trên hình là quỹ đạo của rotor động cơ