báo cáo hệ truyền động động cơ bước

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa ĐiệnẢnh hưởng của tải • Momen lớn nhất khi cực nam châm hợp với phương nằm ngang góc 450 Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc và

Trang 1

Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay động cơ điện được sử dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống Yêu cầu điều khiển động cơ điện ngày một phức tạp hơn, đòi hỏi sự chính xác cao hơn với những kỹ thuật khác nhau Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc điều khiển nói chung và điều khiển động cơ điện nói riêng ngày càng được số hoá

Một trong những động cơ được sử dụng rộng rãi hiện nay có khả năng số hoá cao là động cơ bước

Từ những kiến thức đã được học và trong quá trình tìm hiểu tài liệu, chúng emxin được trình bày về động cơ bước và những điểm chính trong hệ truyền động điện động cơ bước, điều khiển động cơ bước và các vấn đề liên quan

Với kiến thức, tài liệu và khả năng trình bày có hạn, chắc hẳn bài làm sẽ còn nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để hoàn thiện hơn kiến thức của mình

Nhóm 9

Trang 2

MỤC LỤC

I Tổng quan về động cơ bước

II Cấu trúc hệ truyền động động cơ bước

III Các thông số hệ truyền động động cơ bước

IV Điều khiển động cơ bước

V Truyền thông và giao tiếp

VI Ứng dụng

Trang 3

I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC

1 KHÁI NIỆM

Động cơ bước là một loại động cơ 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 không đồng

bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếpnhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng

cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được 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

số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũngnhư chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần sốchuyển đổi

Trang 4

Trang 5

Ảnh hưởng của tải

• Momen lớn nhất khi cực nam châm hợp với phương nằm ngang góc 450

Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằmtrong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượngtrượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay

Quá trình phát xung liên tục điều khiển động cơ bước sẽ làm động cơ quaynhưng chiều quay dễ bị thay đổi

Trang 6

3 CÁC CHẾ ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

Các chế độ của động cơ bước bao gồm Full step, Half step và Micro step Loại chế độ của động cơ bước phụ thuộc vào việc thiết kế các trình điều khiển

FULL STEP

Động cơ bước tiêu chuẩn có rotor 200 răng , hoặc 200 full step cho mỗi trục xoay của động cơ Chia 200 bước cho 360 º 's sẽ được một góc full step 1,8 º Thông thường, chế độ full step được thực hiện bằng cách tiếp điện cho cả hai cuộn dây, trong khi duy trì dòng thay đổi Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiển tương đương một bước

Trang 7

HALF STEP ( nửa bước )

Half step đơn giản chỉ có nghĩa là động cơ quay ở 400 bước mỗi vòng Trong chế độ này, một trong những cuộn dây được tiếp điện và sau đó hai cuộn dây được tiếp điện thay phiên, làm các cánh quạt xoay ở nửa khoảng cách, hoặc 0,9 º 's (Cáctác dụng tương tự có thể đạt được bằng cách điều khiển ở chế độ full step với 400 bước cho mỗi vòng xoay động cơ) Tuy nhiên, nửa bước là một giải pháp thực tế hơn trong các ứng dụng công nghiệp Mặc dù nó cung cấp mô-men xoắn hơi ít hơn, chế độ nửa bước giảm số lượng "sự tăng vọt" vốn có trong vận hành chế độ full step

MICRO STEP ( vi bước )

Công nghệ vi bước điều khiển dòng điện tại các cuộn dây đến một mức độ mà

số vị trí giữa các cực được chia nhỏ hơn nữa Bộ điều khiển vi bước AMS có khả năng luân phiên tại 1 / 256 của một bước (mỗi bước) tương ứng với 51.200 bước mỗi vòng xoay (đối với một động cơ bước góc 1,8 º)

Trang 8

Vi bước thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi phải định vị chính xác

và sự chuyển hóa tốt hơn nhiều tốc độ

4 PHÂN LOẠI

Phân loại theo cấu tạo

1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu:

Loại này có ROTO là 1 nam châm vĩnh cửu và không có răng.Loại này cógóc bước thay đổi từ 6 đến 45o trong chế độ điều khiển bước đủ, momen hãm từ0.5 đến 25 Ncm,tần số khởi động lớn nhất là 0.5 và tần số làm việc lớn nhất ởchế độ không tải là 5 Khz

Trang 9

2 Động cơ kiểu từ trở:

Hay còn gọi là động cơ phản kháng Kiểu động cơ này có góc bước nằmtrong giới hạn từ 1.8 đến 30o trong chế độ điều khiển bước đủ,momen hãm từ 1đến 50 Ncm,tần số khởi động lớn nhất là 1KHz, tần số làm việc lớn nhất trongđiều kiện không tải là 20 KHz

Động cơ bước từ trở không sử dụng roto là thanh nam châm mà sử dụng cácthanh bánh răng làm bằng sắt Chính vì vậy momen động cơ từ trở là bé hơn sovới momen động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ từ trở thường là 3 pha hoặc 4 pha Stato có 12 cực và mỗi pha đượcquốn với bốn cực Rotor có 8 bánh răng

Hình vẽ biểu diễn sự hoạt động của động cơ từ trở

Trang 10

Đấu nối :

Thông thường có ba hoặc bốn cuộn dây đấu chung một đầu Đầu chung đượcnối với nguồn dương, các đầu còn lại lần lượt cho thông với đất để quay rotor.Trên hình vẽ, rotor có 4 răng và stator có 6 cực Mỗi cuộn dây sẽ được quấntrên hai cực đối nhau Vì vậy, giả sử, khi cấp điện cho cực 1 (stator), rotor sẽquay cực gần nhất (X) để răng thẳng với cực 1 Cắt điện cuộn số 1, tiếp tục cấpđiện cho cuộn 2, rotor sẽ quay răng tiếp sau (Y) cho thẳng với cực 2 Cứ nhưvậy điều khiển quay rotor

3 Động cơ bước kiểu hỗn hợp :

Động cớ bước hỗn hợp hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng,có góc bướcthay đổi từ 0.36 đến 15º trong chế độ bước đủ, momen hãm từ 3 đến 1000Ncm,tần số khởi động lớn nhất là 40Khz

Trang 11

Động cơ bước hỗn hợp kết hợp các đặc điểm tốt nhất của động cơ biến từ trở

và động cơ nam châm vĩnh cửu Động cơ chuẩn có rotor 200 răng và bước xoay theo góc 1,8º

Phần STATO có cấu tạo hoàn toàn giống so với STATO của động cơ có từ trởthay đổi.Trên các cực của STATO được đặt các cuộn dây pha,mỗi cuộn dâyđược quấn thành 2 hoặc 4 cuộn đặt xen kẽ để hình thành nên các cực N vàS,đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của ROTO, chính vì vậyloại động cơ này có momen hãm

Động cơ hỗn hợp cũng được chế tạo với 2,4 và 5 pha

Phân loại dựa vào dây quấn động cơ:

Động cơ loại đơn cực (Unipolar), thường có 6 đầu ra Đầu 1,2 thường đượcnối với cực dương, hai đầu a và b có thể được nối xuống đất hoặc không sẽquyết định chiều quay của động cơ

Trang 12

Động cơ loại lưỡng cực (Bipolar), thường có 4 đầu ra Về cấu tạo đơn giảnhơn nhưng khó cho điều khiển vì phải đảo chiều dòng điện qua cuộn dây a,b Động cơ bước lưỡng cực hoàn toàn giống đơn cực trừ 1 điểm là các cuộn dâykhông có điểm giữa do đó bản thân động cơ thì đơn giản hơn nhưng điều khiểnthì có phần phức tạp hơn

Trang 13

Động cơ loại đa cực: Một loại động cơ bước nam châm vĩnh cửu ít thôngdụng hơn đó là động cơ bước có tất cả các cuộn dây được nối tiếp với nhauthành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có 1 điểm giữa gọi là động cơ bước nhiềupha hay đa cực

Loại động cơ đa cực có momen lớn hơn các loại động cơ cùng cỡ do trongphương pháp điều khiển thì tất cả các cuộn dây (hoặc tất cả trừ 1 cuộn) đượccấp nguồn cùng lúc.Một số động cơ bước 5 pha có độ phân giải rất cao khoảng

Trang 14

Kiểu thông dụng nhất của loại đa cực này là 3 pha và 5 pha,việc điều khiểnđòi hỏi 1 hay ½ mạch cầu H cho mỗi cặp dây Một vài động cơ 5 pha có 5 cuộndây độc lập, nghĩa là có 10 đầu dây ra, những đầu dây này có thể được nốithành hình sao như hình vẽ trên và sử dụng 5 mạch nửa cầu hoặc mỗi cuộn dây

có thể thúc bằng 1 mạch full-brigde (toàn cầu), thường dùng là các IC tích hợpsẵn

Để phân biệt động cơ 5 pha với các động cơ khác cần lưu ý: trong động cơ 5pha nếu trở kháng giữa 2 đầu dây liền nhau là R thì trở kháng giữa 2 đầu dâykhông liền nhau là 1,5R

Ưu nhược điểm:

1 Ưu điểm:

• Góc quay của động cơ được tỷ lệ thuận với xung đầu vào

• Động cơ bước có moment xoắn lớn ở vận tốc nhỏ và moment xoắn nhỏ ở vận tốc lớn

Điều khiển vị trí vòng hở : Đây là phương pháp điều khiển chuyển động duynhất có khả năng hoạt động trong vòng hở mà không cần đến phản hồi vị trí.Điều này khiến cho các hệ thống chuyển động dùng động cơ bước trở nên đơngiản hơn các hệ thống chuyển động servo

Thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí màkhông cần phải có cảm biến vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏitính chính xác cao, hoặc tải có thể gây ra hiện tượng trượt, để tránh sai sót khihiện tượng này xảy ra, động cơ bước thường được sử dụng kết hợp với các cảmbiến vị trí như: encoder, biến trở

Trang 15

• Chính xác vị trí và lặp lại di chuyển tốt độ chính xác 3 - 5% của bước một, lỗi này không tích lũy từ một bước tiếp theo

• Nó có thể đạt được tốc độ rất thấp

• Đáp ứng tốt để bắt đầu / dừng / đảo chiều

• Rất đáng tin cậy vì không có liên hệ chổi than trong động cơ Kích cỡ đơn giản, có nhiều kiểu quay, góc quay phong phú

• Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động

cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả

vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor

• Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tớichất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momentải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay

2 Nhược điểm:

Trang 16

• Tần số cộng hưởng của rotor động cơ phụ thuộc vào biên độ của dao động;nhưng khi biên độ giảm, tần số dao động sẽ tăng đến một tần số mà biên độnhỏ còn xác định được Tần số này phụ thuộc vào góc bước và tỉ số giữamoment xoắn giữ và moment quán tính của rotor Ngay cả khi moment xoắnlớn hơn hoặc nhỏ hơn cũng sẽ làm tăng tần số này

• Về cơ bản dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảmtrong lúc hoạt động Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sailệch trong điều khiển

• Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

• Đông cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo

• Giảm mô-men xoắn khi tốc độ ngày càng tăng

II CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG

CƠ BƯỚC

Chú thích:

Trang 17

ace: giao diện người

sử dụng

level commands: lệnh cấp cao

er: Bộđiều chỉnh

pulses: bướcxung

Các trình điều khiển động cơ bước nhận được tín hiệu cấp thấp từ indexerhay hệ thống điều khiển và chuyển đổi chúng thành các bước (điện) xung đểchạy các động cơ Một bước cần thiết cho mỗi bước của trục động cơ Trongchế độ full step, với một động cơ tiêu chuẩn 200 bước, xung 200 bước được yêucầu để hoàn thành một vòng quay Tương tự như vậy, trong chế độ vi bước, bộđiều khiển có thể được yêu cầu để tạo ra 50.000 xung bước hoặc nhiều hơn mỗi

Trang 18

Tốc độ và hiệu suất mô-men xoắn của động cơ bước được dựa trên dòngđiện với trình điều khiển cho động cơ dây quấn Các yếu tố hạn chế dòng hoặchạn chế thời gian cần cho dòng điện tiếp điện cho cuộn dây, được gọi là điệncảm Điện cảm càng thấp, dòng điện đến cuộn dây càng nhanh, động cơ vậnhành càng tốt Để giảm tác dụng của điện cảm, hầu hết các loại mạch điều khiểnđược thiết kế để cung cấp một điện áp lớn hơn mức điện áp cao nhất của động

cơ

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ:

• Các indexer hoặc bộ điều chỉnh: Cung cấp các bước và hướng đầu ra đến bộ điều khiển Hầu hết các ứng dụng yêu cầu rằng các indexer quản lý chức năng điều khiển khác nữa, bao gồm cả khả năng tăng tốc, giảm tốc độ,

bước / giây và khoảng cách

• Mạch điều khiển sẽ tiếp nhận và chuyển các tín hiệu điều khiển xung nhịp, chiều quay, chế độ quay, đảo chiều…thành các mã bước để đưa tới mạch công suất (power driver) để điều khiển động cơ bước

Trang 19

Bộ khuếch đại chuyển đổi các tín hiệu lệnh indexer nguồn điện cần thiết đểtiếp điện cho các cuộn dây của động cơ Có rất nhiều loại trình điều khiển, vớichỉ số cường độ dòng điện và công nghệ chế tạo khác nhau Không phải tất cảcác trình điều khiển phù hợp để chạy tất cả các động cơ, do đó, khi thiết kế một

hệ thống điều khiển chuyển động quá trình lựa chọn driver là rất quan trọng.Trong thực tế cổng điều khiển có thể là các cổng logic rời, vi điều khiển, các

• Dòng điện I kể cả cực tính ( và liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U)

• Độ rộng xung (liên quan đến tốc độ quay)

• Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay)

• Cách thức cấp xung bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liênquan đến chiều quay và mômen tải)

Thông số động cơ bước

Trang 20

Trang 21

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐƠN CỰC

• Trong phương pháp này, các điểm giữa của các cuộn dây được nối chung lại với nhau sau đó được nối lên nguồn, các dầu dây còn lại lần lượt được nối lên nguồn hoặc xuống mass theo đúng trình tự pha toàn bước quy định sẵn Trong trình tự pha toàn bước, thông thường trong 1 thời điểm chỉ có 1 đầu dây được cấp nguồn còn các đầu dây còn lại đều bị nối mass

- Mạch điều khiển thực tế cho động cơ bước:

Trang 22

Khoá chuyển mạch dùng là transitor SK3180 với hệ số khuếch đại khoảng 1000lần Với điện trở bazơ là 470 Ohm, dòng bazơ khoảng 10 mA, nghĩa là có thểcho dòng qua cuộn dây đạt vài Ampe

Có thể thay 74LS04 bằng một phần tử logic khác có cấu tạo collector hở,chịu được dòng qua khoảng 10 mA Khi khoá chuyển có sự cố, dòng từ tảikhông “chảy” quay lại mạch điều khiển

ĐIỀU KHIỂN MOTOR LƯỠNG CỰC VỚI CẦU H

Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây không có điểm giữa nên khi đảo chiềuquay động cơ gặp khó khăn Để đảo được chiều từ trường sinh ra trong cuộndây ( cũng có nghĩa đảo chiều dòng điện) phải dùng một cấu trúc gọi là cầu H

Trang 23

Với 4 khoá A,B,C,D có thể thiết lập được 16 chế độ trong đó 7 chế độ ngắnmạch nguồn Thông thường sử dụng A,D đóng trong chế độ thuận và B,C đóngtrong chế độ ngược

CHẾ ĐỘ HÃM

Nếu chỉ khoá khoá A còn vẫn để D như cũ, dòng điện vẫn khép kín qua cuộndây như hình vẽ Do điện trở nhỏ của cuộn dây, dòng sẽ duy trì trong một thờigian giảm dần và có tác dụng tạo nên một phanh hãm động, kéo rotor dừng lại

Một số mạch cầu H thực tế

Khi một trong hai tín hiệu X hoặc Y ở mức cao, đầu còn lại ở mức thấp, hai

Trang 24

transitor phía trên sẽ hở, khi cả hai ở mức cao, hai transitor phía dưới sẽ mở vànhư vậy cả hai trường hợp 00, 11 đều đặt mạch vào chế độ phanh động

Ngoài ra ta cũng có thể dùng 1 mạch đơn giản như sau dùng IC tích hợpmạch cầu H như : 74LS125 hoặc 74LS244

Mạch điện 74LS244 có hiệu quả đối với động cơ có điện trở tối đa 50 Ohmtrên mỗi cuộn và điện áp tối đa 4.5V khi dùng nguồn 5V Mỗi mạch đệm batrạng thái

trong LS244 có thể dùng nếu điện trở nội của bộ đệm đủ lớn, và dòng sẽđược

chia đều trên các ngõ điều khiển (mắc song song)

a Điều khiển gia tốc động cơ:

Động cơ bước phải có moment xoắn lớn ở vận tốc nhỏ và moment xoắn nhỏ ở vận tốc lớn Nếu động cơ bắt đầu với 1 vận tốc lớn thì động cơ sẽ ko thể chạy được Động cơ sẽ bị giật và rotor không thể quay đến vị trí tiếp theo Do đó chúng ta phải

Định dạng
Số trang	37
Dung lượng	3,59 MB