Thiết kế hệ thống cơ điện tử xác định sự phụ thuộc của hệ số ma sát của cặp vật liệu vào vận tốc và áp lực

Luận văn thạc sĩ Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát Chương này nghiên cứu nguyên lý hoạt động, mạch điều khiển và phương pháp tính chọn động cơ bước để ứng dụng thực tế vào Máy

Trang 1

Trường đại học bách khoa hà nội

Viện đào tạo sau đại học

====== ======

Luận văn thạc sĩ khoa học

Ngành: công nghệ cơ khí

thiết kế hệ thống cơ điện tử xác định sự phụ thuộc của

hệ số ma sát của cặp vật liệu

vào vận tốc và áp lực

chuyên Ngành: công nghệ cơ khí

Nguyễn Quang Long

Người hướng dẫn khoa học: PGS.ts Nguyễn Do∙n ý

Hà Nội/ 2010

Trang 2

MỤC LỤC

Lời cam đoan -1-

Mở đầu……….-2-

Chương 1 Tổng quan về Ma sát……….-4-

I Giới thiệu chung về Ma sát……….-4-

II Lịch sử phát triển……… -4-

III Lý thuyết cơ bản về Ma sát……… -5-

1 Đặc trưng cơ bản của ma sát……… -5-

1.1 Định nghĩa, các thuật ngữ chính……….-5-

1.2 Các đặc trưng cơ bản của Ma sát………-5-

1.3 Phân loại ma sát……….-6-

2 Thông số hình học bề mặt tiếp xúc……….-8-

2.1 Tiếp xúc của bề mặt………-8-

2.2 Chất lượng bề mặt chi tiết máy……… -8-

2.3 Sự tiếp xúc của bề mặt có độ nhám lớn……… -9-

2.4 Phương pháp và công cụ nghiên cứu bề mặt tiếp xúc………… -10-

3 Các định luật về ma sát……… -11-

3.1 Định luật ma sát thứ nhất……… -11-

3.2 Định luật ma sát thứ hai………-11-

3.3 Định luật ma sát thứ ba……….-12-

4 Những qui luật ma sát thực nghiêm……… -12-

4.1 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất phát tuyến f = f(p)…-12- 4.2 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trượt f = f(v)……….-13-

4.3 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc khi có bôi trơn…… -13-

4.4 Sự phụ thuộc của hệ số ma sất vào các thông số ma sát khác… -13-

5 Ma sát không chất bôi trơn………-14-

Trang 3

Chương 2 Thiết kế máy đo hệ số ma sát………-16-

I Mục đích chế tạo máy đo……….-16-

II Yêu cầu thiết kế……… -16-

III Cấu tạo máy đo……… -17-

IV Nguyên lý hoạt động……… -18-

Chương 3 Động cơ bước & ứng dụng động cơ bước trong hệ thống đo hệ số ma sát……… -18-

I Giới thiệu về động cơ bước……… -18-

II Cấu tạo và phân loại động cơ bước……….-19-

1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu………-19-

2 Động cơ bước có từ trở thay đổi………-20-

3 Động cơ bước kiểu hỗn hợp……… -20-

4 Một số loại động cơ bước thông dụng……… -21-

III Nguyên lý hoạt động của động cơ bước……….-24-

1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu………-24-

2 Động cơ bước từ trở thay đổi………-24-

3 Động cơ hỗn hợp………-25-

4 Động cơ nhiều Stato……… -26-

IV Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ bước……… -26-

1 Hệ thống điều khiển động cơ bước………-26-

2 Nguyên tắc chung……… -27-

3 Điều khiển cả bước………-27-

4 Điều khiển nửa bước……….-27-

5 Điều khiển vi bước………-27-

6 Vấn đề về sự trượt bước………-27-

V Mạch điều khiển động cơ bước………-28-

VI Điều chế độ rộng xung thay đổi tốc độ động cơ……….-29-

Trang 4

1 Điều chế điện áp cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ…-29-

2 Các phương pháp điều chế độ rộng xung……….-30-

VII Tính chọn động cơ bước……… -34-

Chương 4 Vi điều khiển & ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống đo hệ số ma sát……….-36-

I Giới thiệu về vi xử lý……… ………-36-

1 Các thành phần của bộ vi xử lý……….-36-

2 Lựa chọn một bộ vi điều khiển……… -37-

II Vi điều khiển PIC……….-38-

1 Đặc tính của vi điều khiển PIC16F877A……… -38-

2 Sơ đồ chân & sơ đồ khối………-39-

3 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A………-41-

4 Stack……… -44-

5 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A……… -44-

6 Timer……….-46-

7 Bộ chuyển đổi ADC……… -49-

8 Comparator………-51-

9 Bộ tạo điện áp so sánh………-53-

III Ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A trong hệ thống đo hẹ số ma sát -54-

1 Sơ đồ khối hệ thống………-54-

2 Chương trình dịch và nạp cho vi điều khiển……… -55-

3 Linh kiện cần dùng cho mạch……….-55-

4 Mạch điện nguyên lý và mạch in………-57-

CHƯƠNG 5 Biến trở & ứng dụng biến trở trong hệ thống đo hệ số ma sát -57-

I Một số thiết bị đo góc quay…… ……….-57-

1 Thiết bị đo góc dựa trên các chuyển đổi biến trở………-57-

Trang 5

2 Thiết bị đo góc quay bằng chuyển đổi cảm ứng………-58-

3 Thiết bị dùng chuyển đổi điện cảm đo góc quay trong không gian 2 chiều……….-59-

II Chuyển đổi biến trở……….-60-

III POT với vai trò là dụng cụ đo………-60-

1 POTENTIOMETER có dòng điện không đổi……… -61-

2 POTENTIOMETER có điện trở không đổi……… -61-

3 MICROVOL POTENTIOMETER……… -61-

4 POTENTIOMETER cặp nhiệt điện……….-61-

IV POT với vai trò là 1 bộ phận điện tử……….-61-

1 POTENTIOMETER công suất thấp……….-62-

2 POTENTIOMETER công suất cao……… -63-

3 POTENTIOMETER điều khiển số……… -63-

V Ứng dụng của POTENTIOMETER………-63-

1 Bộ chuyển đổi………-63-

2 Điều khiển âm thanh……….-63-

3 Điều khiển đo góc……….-64-

VI ỨNG DỤNG POTENTIOMETER ĐO GÓC NGHIÊNG TRONG HỆ THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT -64-

1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA POTENTIOMETER -64-

2 ĐẶC ĐIỂM CỦA POTENTIOMETER SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT……….-64-

3 NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG………-65-4 VAI TRÒ CỦA POTENTIOMETER TRONG HỆ THỐNG ĐO HỆ SỐ MA

SÁT……….-65-Chương 6 Ghép nối máy tính -66-

I TỔNG QUAN VỀ CỔNG NỐI TIẾP……… -66-

1 CHUẨN GIAO TIẾP RS-232 -67-

2 TRUYỀN THÔNG GIỮA 2 NÚT -73-

Trang 6

3 MỘT SỐ TIÊU CHUẨN TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾP KHÁC -74-

II MAX232……… …-76-

CHƯƠNG 7 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HIỂN THỊ ĐO HỆ SỐ MA SÁT SỬ DỤNG VISUAL BASIC……… -79-

I VÀI NÉT VỀ VISUAL BASIC……… -79-

1 GIỚI THIỆU CHUNG……… -79-

2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LẬP TRÌNH VISUALBASIC……….-79-

3 ĐIỀU KHIỂN MICROSOFT COMM CONTROL 6.0………-86-

II ỨNG DỤNG VISUAL BASIC LẬP TRÌNH HIỂN THỊ CHƯƠNG TRÌNH ĐO HỆ SỐ MA SÁT……….-88-

1 NHIỆM VỤ CỦA CHƯƠNG TRÌNH………… ……… -88-

2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHO CHƯƠNG TRÌNH HIỂN THỊ HỆ THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT TRÊN MÁY

TÍNH……… -89-Kết luận………-90-

Tài liệu tham khảo……….-90-

Trang 7

Luận văn thạc sĩ Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài Luận văn: “ Thiết kế hệ thống cơ điện tử xác định

sự phụ thuộc của hệ số ma sát của cặp vật liệu vào vận tốc và áp lực” này là

của tôi tìm hiểu và nghiên cứu Các kết quả và số liệu trong luận văn này là trung thực và quá trình nghiên cứu và xây dựng mô hình là nghiêm túc

Trang 8

MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang có nhiều nỗ lực nhằm chuyển mình phát triển, với mục tiêu tới năm 2020 sẽ cơ bản trở thành một nước công nghiệp Trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cơ khí chế tạo máy là một trong những ngành ưu tiên trọng điểm Một trong những nhiệm vụ quan trọng đối với ngành cơ khí chế tạo máy trong quá trình sản xuất là phải làm sao nâng cao độ tin cậy, tuổi thọ của máy móc, dụng cụ, trang thiết bị, nhất là các máy móc hiện đại và các dây chuyền sản xuất tự động nhằm nâng cao hiệu quả kình tế Việc tìm ra những giải pháp trong kỹ thuật ma sát – khoa học về sự tương tác các bề mặt tiếp xúc khi có chuyển động tương đối – sẽ góp phần quan trọng làm tăng hiệu quả làm việc của máy móc, từ đó tăng hiệu quả của quá trình sản xuất

Ý nghĩa to lớn của kỹ thuật ma sát đối với nền kinh tế quốc dân là ở chỗ phần lớn máy móc bị hỏng không phải do gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt ma sát trong các mối liên kết động Phục hồi máy móc phải tốn rất nhiều tiền, vật tư, hàng chục vạn công nhân phải tham gia vào việc này, hàng vạn máy công cụ được sử dụng trong các phân xưởng sửa chữa

Ngoài việc giảm mòn và nâng cao tuổi thọ thiết bị máy móc, kỹ thuật ma sát còn có nhiệm vụ nghiên cứu các biện pháp giảm lực ma sát trong máy móc được thiết kế và đang vận hành Chúng ta đều biết rằng hơn một nửa nhiên liệu dùng để chạy ô tô, đầu máy xe lửa và các phương tiện giao thông khác thực chất là để khắc phục trở lực do ma sát gây nên trong chi tiết máy Hiệu suất nhiều thiết bị máy móc thấp do ma sát là chính

Với tính chất đó thì việc nghiên cứu, khảo sát mối quan hệ của các cặp vật liệu trong quá trình ma sát theo các điểu kiện làm việc khác nhau sẽ góp phần đưa ra giải pháp hợp

lý giúp tối ưu hóa quá trình làm việc của máy móc thiết bị Đó cũng chính là nội dung luận văn của tôi được giao

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học – kỹ thuật và sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, các hệ thống máy móc, thiết bị nghiên cứu và sản xuất dần dần được tự động hóa với mức độ ngày càng mạnh mẽ Trong luận văn, tôi đã ứng dụng những công nghệ tiên tiến này nhằm thực hiện tin học hóa, tự động hóa hệ thống đo

hệ số ma sát của các cặp vật liệu

Hệ thống đo hệ số ma sát này sẽ cho ta các kết quả thực nghiệm về giá trị của các cặp vật liệu ma sát khác nhau dựa trên sự thay đổi của tải trọng & tốc độ tác động lên cặp vật liệu

Nội dung đồ án gồm các chương:

Chương I: Tổng quan về ma sát

Chương này tìm hiểu về lịch sử phát triển và ứng dụng của kỹ thuật ma sát trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ Nêu được các đặc trưng cơ bản, các định luật, các quy luật của ma sát thực nghiệm

Chương II: Thiết kế máy đo hệ số ma sát

Chương này trình bày rõ ràng các bước thiết kế, chế tạo và nguyên lý hoạt động của máy đo hệ số ma sát

Chương III: Động cơ bước và ứng dụng động cơ bước trong hệ thống đo hệ số

ma sát

Trang 9

Chương này nghiên cứu nguyên lý hoạt động, mạch điều khiển và phương pháp tính chọn động cơ bước để ứng dụng thực tế vào Máy đo hệ số ma sát

Chương IV: Vi điều khiển và ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống đo hệ số

ma sát

Chương này đề cập đến các đặc tính, sơ đồ và tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A Đồng thời trình bày ứng dụng nó trong hệ thống đo hệ số ma sát

Chương V: Biến trở và ứng dụng biến trở trong hệ thống đo hệ số ma sát

Chương này giới thiệu một số thiết bị đo góc quay, đặc biệt là các thiết bị đo góc dựa trên các chuyển đổi biến trở (Angle Potentiometer) Giới thiệu POT với vai trò là dụng cụ đo và một bộ phận điện tử Trình bày ứng dụng POT để đo góc nghiêng trong hệ thống đo ma sát

Chương VI: Ghép nối máy tính

Chương này trình bày về chuẩn giao tiếp RS-232 và Max 232

Chương VII: Phần mềm điều khiển hiển thị đo hệ số ma sát sử dụng Visual Basic

Chương này giới thiệu về Visual Basic, ứng dụng nó trong lập trình hiển thị chương trình đo hệ số ma sát Trình bày form và code của chương trình hiển thị

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Máy và Dụng

cụ công nghiệp – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo PGS.TS Nguyễn Doãn Ý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn cao học này đúng tiến độ và có chất lượng cao nhất

Trang 10

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MA SÁT

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MA SÁT

Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu đời Sáng chế đầu tiên vào khoảng năm 4000 trước công nguyên là các thanh lăn và xe đẩy dùng chuyên trở các vật liệu nặng Trải qua nhiều thiên niên kỷ người ta đã cải tiến bổ sung để các dụng

cụ đó, tuy càng thô sơ nhưng càng tiện dụng và giảm nhẹ sức lao động cho con người Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci (1452-1519) trên các hiệu ứng ma sát và đưa ra khái niệm về hệ số ma sát Những sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ số

ma sát của ông vẫn mang tính thực tiễn cho đến ngày nay

Cho đến nay, về rất nhiều phương diện, ma sát vẫn còn là một điều bí ẩn Trong quá trình ma sát và chỉ trong quá trình đó đã đồng thời xẩy ra các quá trình cơ học, điện, nhiệt, hoá và rung động Ma sát có thể làm tăng hoặc làm giảm độ bền, lượng cácbon trong kim loại, làm thấm hoặc làm mất hyđrô, biết đổi vàng bạch kim thành ôxýt, đánh bóng các chi tiết hoặc hàn chúng Ma sát là một quá trình tự tổ chức, trong đó các hiện tượng xẩy ra theo theo một trình tự xác định và hợp lý Các hiện tượng này dẫn đến sự phá huỷ bề mặt hoặc ngược lại tạo ra một hệ làm giảm ma sát và độ mòn

Hiện nay, ma sát là một trong những vấn đề cấp thiết nhất của thời đại Chi phí cho việc sửa chữa máy móc do mòn rất lớn và tăng lên hàng năm Kéo dài tuổi thọ của máy

dù chỉ ở mức độ không lớn cũng ngang với việc đưa vào sử dụng một lực lượng sản xuất đáng kể Vì vậy, vấn đề này đã được sự chú ý của người sử dụng và các nhà khoa học nhiều ngành khác nhau, nhằm đưa ra các biện pháp về thiết kế, công nghệ và sử dụng để nâng cao tuổi thọ của máy và phát triển học thuyết về ma sát, mài mòn và bôi trơn Khoa học này đã được nghiên cứu rộng rãi trong các nhà máy, các trường đại học, các viện nghiên cứu và đã đạt được những thành tựu quan trọng Sử dụng những thành tựu ấy cho phép ta nâng cao rõ rệt tuổi thọ và độ tin cậy của máy

II LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Cũng như các môn khoa học khác, kỹ thuật ma sát không ngừng được phát triển Các giai đoạn phát triển ấy gắn liền với việc ra đời kỹ thuật đóng tàu, công nghiệp gia công kim loại, giao thông đường sắt, công nghiệp ôtô, máy bay và vũ trụ

Ở nước Nga, cơ sở cuả khoa học về ma sát, bôi trơn và mài mòn đã hình thành từ khi thành lập viện hàn lâm khoa học Nga Nhà khoa học vĩ đại M.V.Lômônôxôv đã thiết

kế một thiết bị nghiên cứu sự dính kết giữa các phân tử của các vật Thiết bị này là tiền thân của các thiết bị hiện đại để nghiên cứu độ bền mòn của vật liệu L.Ơle đã có đóng góp lớn cho khoa học về ma sát Những sự phụ thuộc khi ma sát của dây đai qua bánh đai

do ông đưa ra, cho đến nay vẫn được sử dụng trên khắp thế giới

Trong thời kỳ phát triển công nghiệp ở Liên Xô khoảng 20 năm gần đây đã hình thành ba trường phái khoa học nghiên cứu quá trình ma sát và mài mòn của giáo sư I.V.Cragenxky, giáo sư B.I.Côxtexki và muộn hơn là của giáo sư V.A.Bêlưi

Công trình cơ bản nghiên cứu về ma sát và mài mòn do giáo sư I.V.Cragenxki và học trò của ông phát triển công trình này, quá trình mài mòn bao gồm ba hiện tượng: Sự

Trang 11

tương tác giữa các bề mặt ma sát, sự thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt và sự phá huỷ chúng, những hiện tượng không nối tiếp nhau mà xen kẽ ảnh hưởng lẫn nhau

B.i.Côxtexki và các học trò đã xuất bản cuốn sách chuyên đề tổng hợp các kết quả

về vấn đề tạo ra cấu trúc thứ cấp khi ma sát trong điều kiện bôi trơn tới hạn, đồng thời

mở ra triển vọng sử dụng cấu trúc thứ cấp ấy như một màng bảo vệ các vật liệu trong cặp

ma sát khỏi bị phá huỷ

V.A.Bêlưi đã nghiên cứu sử dụng vật liệu polyme cho các kết cấu ma sát Nhiều kết quả rất bất ngờ So với kim loại, polyme có hệ số ma sát nhỏ hơn, mòn ít hơn, ít bị ảnh hưởng của dao động và va đập, có giá thành rẻ và tính công nghệ cao hơn trong việc chế tạo các chi tiết Khả năng làm việc của polyme trong điều kiện bôi trơn bằng nước là một

ưu điểm rất lớn so với kim loại Tuy nhiên, sự thay thế kim loại bằng polyme không phải lúc nào cũng có lợi Đối với kết cấu ma sát, có triển vọng nhất là sự kết hợp của polyme với các vật liệu khác

Ở Việt Nam, những tiến hành nghiên cứu về mài mòn của vật liệu trong điều kiện khí hậu nhiệt đới những biện pháp nâng cao tuổi thọ của những cặp ma sát cơ bản trong máy, cũng như việc sử dụng chất dẻo để thay thế kim loại Một số bộ, tổng cục, viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất đã áp dụng kỹ thuật ma sát để nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của máy đã đạt được kết quả bước đầu rất đáng khích lệ

III LÍ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT

1 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MA SÁT

1.1 ĐỊNH NGHĨA, CÁC THUẬT NGỮ CHÍNH

Ma sát: là sự mất mát năng lượng cơ học trong các quá trình: khởi động, chuyển

động, dừng

Ma sát khởi động: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình khởi động

Ma sát động: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình chuyển động tương

đối tại vùng tiếp xúc

Ma sát dừng: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình dừng tại vùng tiếp

xúc có chuyển động tương đối

Lực ma sát: là lực cản chuyển động tương đối của vật thể này trên vật thể khác,

dưới tác động của ngoại lực pháp tuyến với đường phân giới giữa 2 mặt phẳng

Ma sát ngoại: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc của 2 vật thể độc lập với nhau,

khi có chuyển động tương đối

Ma sát nội: là ma sát xảy ra trong quá trình chuyển động tương đối, trong cùng 1 vật

thể

Ma sát vĩ mô: là ma sát được kể đến do ảnh hưởng của các yếu tố trên bề mặt tiếp

xúc, cơ, lý, hóa, chất lượng bề mặt, bản chất của vật liệu, các chế độ làm việc,…

Ma sát vi mô: là ma sát được kể đến bản chất vật liệu, tính chuyển động của các

phân tử, tính liên kết hóa học & nhiệt động học dẫn đến sự mất mát năng lượng cơ học

1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MA SÁT

Trang 12

M ms = F ms R

Trong đó: R – cánh tay đòn tương ứng với lực ma sát Fms

1.2.3 Công ma sát (năng lượng ma sát) Wms

Đối với ma sát trượt:

Trong đó: Sms – quãng đường ma sát

Đối với ma sát lăn:

W msL = E msL = ∫

L

ms d M

ϕ

ϕTrong đó: φX – góc xoay

1.3 PHÂN LOẠI MA SÁT

Ma sát được phân loại dưới nhiều dạng khác nhau, chủ yếu được chia ra theo đối

tượng tiếp xúc (ma sát nội, ngoại, vi mô, vĩ ,mô), theo quá trình (chuyển động, dừng,

khởi động, va đập…), theo dạng chuyển động (trượt, lăn, xoay…) & theo trạng thái

chất bôi trơn (rắn, lỏng, khí, Plasma…)

Hình 1: Các dạng tiếp xúc của cặp vật liệu

1.3.1 Phân loại ma sát theo dạng chuyển động

Ma sát trượt: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc khi chuyển động trượt tương

đối (hình 1.1a) mà vận tốc tại điểm tiếp xúc khác nhau về giá trị & cùng phương

Ma sát lăn: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt có chuyển động lăn tương đối, mà vận

tốc tại điểm tiếp xúc cùng giá trị, cùng phương (hình 1.1b)

Ma sát xoay: là ma sát xảy ra giữa 2 bề mặt tiếp xúc do chuyển động xoay tương đối

giữa 2 vật thể (hình 1.1c)

Ma sát hỗn hợp: là ma sát xảy ra giữa các bề mặt có tổng hợp của các dạng ma sát

trượt, xoay & lăn

1.3.2 Phân loại ma sát theo điều kiện bề mặt

Ma sát không có chất bôi trơn: là ma sát của 2 vật rắn trên bề mặt của chúng không

có điều kiện khẳng định rõ ràng sự tồn tại của chất bôi trơn hoặc bất kỳ chất nào Đôi khi

còn gọi là ma sát khô

Trang 13

Ma sát giới hạn: là ma sát giữa 2 vật thể rắn có tồn tại giữa liên kết của chúng 1 lớp

chất bôi trơn (cỡ 0,1µm) Nó có tính chất hoàn toàn khác biệt với tính chất của toàn khối bôi trơn

Ma sát ướt: là ma sát giữa 2 bề mặt được phân tách bởi các lớp chất bôi trơn có

chuyển động tương đối với nhau

Ma sát nửa ướt: là ma sát có đồng thời cả ma sát ướt & ma sát giới hạn

1.3.3 Phân loại ma sát theo động lực học tiếp xúc

Ma sát tĩnh: là ma sát xuất hiện giữa 2 bề mặt vật rắn trong trạng thái dịch chuyển

ban đầu vô cùng nhỏ

Ma sát động: là ma sát xuất hiện giữa 2 bề mặt vật rắn trong quá trình có chuyển

động tương đối ở vùng tiếp xúc

1.3.4 Phân loại ma sát theo điều kiện làm việc

Ma sát bình thường: là quá trình ma sát được đặc trưng bởi sự cân bằng động giữa

phá huỷ & phục hồi lớp màng mỏng có tính bảo vệ trên bề mặt ma sát, mà thông thường

là lớp màng oxyt

Ma sát không bình thường: là ma sát xuất hiện ở chế độ làm việc không bình

thường Nó thường được thể hiện ở nhiệt độ của cặp ma sát

Hình 2: Sơ đồ phân loại ma sát

Trang 14

2 THÔNG SỐ HÌNH HỌC BỀ MẶT TIẾP XÚC

Lý thuyết về thông số hình học của bề mặt tiếp xúc dựa trên lý thuyết đàn hồi, dẻo

& kết quả nghiên cứu thực nghiệm về chất lượng bề mặt của các chi tiết khi gia công bằng các phương pháp công nghệ khác nhau

Lý thuyết tiếp xúc nhận được từ cấu trúc hình học thực sự của vật rắn & tính chất cơ

lý lý tưởng, nhưng thực tế chỉ tồn tại tính không lý tưởng của bề mặt chi tiết máy Để minh họa cho lý do này, các đặc điểm tiếp xúc được xác định nhờ sử dụng lý thuyết thống kê, từ mô tả biên dạng chiều cao trung bình của các đỉnh nhấp nhô & các quy luật phân phối các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt Các trường hợp tiếp xúc được biểu thị bằng công thức tính có độ chính xác đủ cần thiết theo yêu cầu thực tế của kỹ thuật đặt ra

3 Trong vùng diện tích tiếp xúc chỉ xảy ra biến dạng đàn hồi

4 Chỉ có lực pháp tuyến trên bề mặt tiếp xúc chung

5 Diện tích tiếp xúc nhỏ so với diện tích bề mặt của vật tiếp xúc

6 Bỏ qua lực ma sát xảy ra trong vùng tiếp xúc ở thời điểm tải trọng tác dụng

Diện tích tiếp xúc thông thường là 1 hình elip, nhưng trong 1 số trường hợp đặc biệt

nó có thể là 1 hình tròn hoặc 1 dải được giới hạn bởi các đường song song

Với vùng tiếp xúc được tạo thành bởi 2 vật thể hình trụ có các trục song song với nhau là 1 dải dài

2.2 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY

2.2.1 Tính chất cơ lý của lớp bề mặt

Tính chất cơ lý của các lớp bề mặt chi tiết máy phần lớn khác với tính chất của vật liệu tạo ra nó Lớp nguyên tử bề mặt có tương tác lớn, kết quả là lớp bề mặt thường được phủ bằng các lớp không khí, nước & các chất hữu cơ khác Lớp bám trên bề mặt là lớp vật liệu hoạt động làm giảm dần sự tương tác giữa các nguyên tử trên bề mặt

Sóng có dạng gồm các khe & đỉnh tuần hoàn có chu kỳ, cách nhau 1 khoảng bằng

bước sóng SS & chiều cao HS, thường có

Trang 15

2.3 SỰ TIẾP XÚC CỦA BỀ MẶT CÓ ĐỘ NHÁM LỚN

2.3.1 Sự tương tác giữa các đỉnh cao nhất của bề mặt

Khi 2 bề mặt lớn tiếp xúc với nhau bằng 1 lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc, các đỉnh đối nhau của các bề mặt tiếp xúc sẽ có tổng chiều cao là lớn nhất Khi tải trọng tăng lên, các cặp mới của các đỉnh đối diện có tổng chiều cao nhỏ hơn sẽ tiếp xúc với nhau Trong quá trình tiếp xúc, các đỉnh này của bề mặt sẽ bị biến dạng, đầu tiên là biến dạng đàn hồi Khi tải trọng vượt quá 1 giá trị giới hạn, sự biến dạng này sẽ là biến dạng dẻo hay biến dạng đàn dẻo

2.3.2 Diện tích tiếp xúc thực & diện tích tiếp xúc đường bao

Trong tương tác của các chi tiết máy, có 1 phần đáng kể các bề mặt nằm ngoài vùng tiếp xúc do độ sóng & sai số hình dạng gây nên Do vậy, diện tích tiếp xúc hầu như không phụ thuộc vào diện tích hình học của chi tiết

Để có thể phân biệt & hiểu được mối liên hệ giữa 3 loại diện tích tiếp xúc, ta xét 2

Diện tích tiếp xúc thực A t , diện tích tiếp xúc đường bao A đb & diện tích danh nghĩa A dn

Các kết quả nhóm các vết tiếp xúc trong các vùng khác nhau là ở đỉnh của dạng

sóng; tổng của tất cả các diện tích này là diện tích tiếp xúc đường bao A đb Đó là diện tích

của toàn bộ các sóng trong vùng tiếp xúc Sự tiếp xúc này hiển nhiên là không liên tục do

Trang 16

không quá rộng & độ sóng có thể bỏ qua thì có thể coi Ađb ≈ Adn

Diện tích tiếp xúc thực A t là diện tích trong phạm vị các độ không phẳng của các

nhấp nhô bề mặt trong vùng tiếp xúc.Diện tích tiếp xúc thực nhỏ, At = (0,01÷0,1)% Adn

pháp tuyến trên 1 đơn vị diện tích tiếp xúc đường bao là áp suất đường bao p đb

2.4 PHƯƠNG PHÁP & CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU BỀ MẶT TIẾP XÚC

Các phương pháp hiện đại nhất để xác định diện tích tiếp xúc thực có thể được chia thành 5 nhóm:

tiếp xúc tĩnh & tiếp xúc trượt

tiếp xúc tĩnh

1 Dựa trên cơ sở

dẫn xuất tiếp xúc

tiếp xúc tĩnh & trượt

Cần thiết để xác minh bằng các phương pháp khác

Bằng sự tiếp xúc bề mặt

1 số vật rắn trong tiếp xúc tĩnh &

trượt, Ra ≥ 0,6 µm

2 Hình học

Bằng dữ liệu thu được phần lõm xuống của bề mặt bởi 1 hình cầu có bán kính lớn

1 số vật rắn trong tiếp xúc tĩnh tại, Ra

≥ 0,6 µm

Bằng sự gián đoạn tính phát sáng trên màng mỏng

≥ 1,2 µm

Bằng sự gián đoạn các đồng vị phóng

xạ thu được trên màng

3 Dựa trên cơ sở sử

dụng các tấm màng

mỏng

Bằng việc gián đoạn của các tấm màng mỏng cacbon

≥ 1,16 µm

Cần thiết để xác minh bằng các phương pháp khác

toàn phần

1 trong các bề mặt là trong suốt, cứng &

nhẵn (phẳng); tiếp xúc tĩnh & trượt, Ra

≥ 1,16 µm

Trang 17

Bằng thiếu sự khuếch tán ở các vết tiếp xúc

Các bề mặt đều trong suốt; tiếp xúc tĩnh & trượt, Ra ≥ 1,2 µm

Bằng sự thay đổi hình giao thoa ở các vết tiếp xúc

1 trong các bề mặt là trong suốt, cứng &

nhẵn (phẳng) & phủ

1 lớp màng mỏng phản xạ; tiếp xúc tĩnh, Ra ≥ 1,2 µm

5 Thay đổi tính chất

lý - hóa trong diện

tích tiếp xúc

Bản khắc axit & sự lắng đọng vật liệu tại các vết tiếp xúc

Các bề mặt vật liệu trong tiếp xúc tĩnh

* Công của lực ma sát ngoài không bao giờ biến hoàn toàn thành nhiệt (A > Q)

* Năng lượng hấp thụ không bao giờ bằng 0 (E = 9-16%) Thực tế E là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mòn

thay đổi, phụ thuộc tính chất vật liệu & điều kiện ma sát ngoài:

9 f - hàm năng lượng hấp thụ tương đối của bề mặt ma sát

∆ = f(p,v,c)

F ms = F 1 + F 2 + … + F 10

Trang 18

• F1 – lực ma sát trong các lớp thuỷ khí động

• F2 – lực ma sát tựa thuỷ động - bán trượt (các lớp biên)

• F3 – lực cản trượt trong các lớp giới hạn

• F4 – lực tạo dải tiếp xúc trong lớp bề mặt rất mỏng

• F5 – lực tạo ra dao động đàn hồi trong các lớp dưới bề mặt

• F6 – lực làm biến dạng các thể tích làm việc vĩ mô

• F7 – lực phá huỷ các liện kết bám dính, khuếch tán

các khuyết tật của cấu trúc tinh thể

• F9bt – lực phá huỷ khuyết tật tích luỹ & các cấu trúc thứ cấp

• F9kbt – lực phá huỷ thể tích vĩ mô kim loại

• F10 – năng lượng bị khuếch tán ra ngoài

Chú ý:

F1 & F2 - xảy ra khi bôi trơn thuỷ động

F9kbt - xảy ra trong quá trình ma sát không bình thường

F3÷F10 trừ F9kbt - xảy ra trong quá trình ma sát bình thường

VÀO ÁP SUẤT PHÁP TUYẾN f = f(p)

Quan hệ này có 3 vùng đặc trưng:

• I - vùng ổn định, ứng với chế độ làm

việc bình thường của cặp ma sát

• II - vùng chuyển tiếp

• III - vùng hỏng, trên đó diễn ra những

quá trình không bình thường(tróc, trầy xước…)

Ma sát bình thường

Trang 19

Chế độ ma sát bình thường được xác định bằng hệ số ma sát ổn định & mòn nhỏ nhất, xảy ra do sự hình thành các cấu trúc thứ cấp trên bề mặt các kim loại chịu ma sát Đoạn chuyển tiếp ứng với khả năng thích ứng của bề mặt Giới hạn của chế độ làm việc bình thường được xác định bởi áp suất pháp tuyến pth Khi vượt quá pth sẽ dẫn tới tróc, dập, cào xước … & mòn mãnh liệt làm nó chuyển nhanh sang trạng thái hỏng

• II - vùng chuyển tiếp - không bình

thường với tróc loại I: v < vth1

• III - vùng không bình thường với

hiện tượng tróc loại II: vth2 < v

& vth2 được đặc trưng bởi giá trị ổn định của hệ số

ma sát & mòn cho phép

4.3 SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ MA SÁT VÀO VẬN TỐC KHI CÓ BÔI TRƠN

Đồ thị Stribech chỉ ra sự phụ thuộc của hệ số

ma sát vào áp suất & vận tốc trượt

• I - vùng thay đổi ma sát khô

• II - ma sát giới hạn & nửa ướt

• III - ma sát ướt

• IV - ma sát trong chế độ bôi trơn rối

4.4 SỰ PHỤ THUỘC CỦA HỆ SỐ MA SÁT VÀO CÁC THÔNG SỐ MA SÁT KHÁC

Khi cặp ma sát làm việc trong chế độ ổn định bình thường, hệ số ma sát được quyết định bởi các thông số ma sát như: vật liệu, công nghệ chế tạo, dung sai kích thước của cặp lắp ghép, kiểu và tính chất của vật liệu bôi trơn v.v Tác dụng tổng hợp của các

thông số ấy sẽ làm thay đổi các hàm số chủ yếu µ = f(P) và µ = f(v) Ảnh hưởng này

số ma sát được biểu diễn bằng toán tử:

µ = A{P ; v; C} bt

Chỉ trong chế độ bình thường hệ số ma sát mới có thể được biểu diễn dưới dạng hàm số của áp suất hay tốc độ trượt Hàm này chỉ có ý nghĩa đối với một tổ hợp nhất định các thông số

Việc chọn chế độ sử dụng bình thường của bộ phận máy & cơ cấu đối với mỗi cặp

ma sát phụ thuộc vào giá trị tác động cơ học bên ngoài & ảnh hưởng của các thông số gắn liền với việc xác định những vùng ổn định của các quan hệ cơ bản f = f(p) & f = f(v) & các vùng dịch chuyển của chúng

µ toi uu

V toiuu v truot

µ I

Trang 20

Vì cơ sở của chế độ ma sát bình thường là ma sát ôxy hóa nên ảnh hưởng trước hết của môi trường khí chủ yếu gắn liền với sự có mặt của ôxy trong vùng ma sát Khi không

có ôxy & các chất ôxy hóa khác (như trong chân không) thì không thể có mòn bình thường

5 MA SÁT KHÔNG CÓ CHẤT BÔI TRƠN

Ma sát không có chất bôi trơn xẩy ra ở các bộ phanh, truyền động ma sát, trong kết cấu máy dệt, máy thực phẩm, máy hoá khi mà không dùng được chất bôi trơn (sợ hỏng sản phẩm vì điều kiện an toàn) hoặc trong các máy làm việc ở nhiệt độ cao khi mà bất kỳ chất bôi trơn nào cũng không thích hợp

Ở dạng này ma sát có bản chất cơ học phân tử Trên diện tích tiếp xúc thực có các tương tác phân tử tác dụng với khoảng cách lớn hơn hàng chục lần khoảng cách các nguyên tử có trong mạng tinh thể và tăng lên theo nhiệt độ Dù có hay không lớp đệm nhớt (hơn nước, chất bẩn, chất bôi trơn) lực phân tử cũng dẫn đến sự bám dính Sự bám dính này xẩy ra giữa kim loại và màng ôxít hoặc có thể còn do tác động của lực hút tĩnh điện Lực bám cũng như lực phân tử tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc thực Áp suất đặt vào ảnh hưởng đến lực này qua diện tích tiếp xúc thực

các bề mặt dịch chuyển, nhưng trên thực tế sự dịch chuyển này sẽ kèm theo biến dạng trượt Do sự đàn hồi không lý tưởng của vật liệu, cần chi phí năng lượng cho biến dạng

Trang 21

không thuận nghịch này Nếu mối liên kết giữa các vật bị phá huỷ ở chỗ sâu hơn so với

bề mặt thì cần đặt lực pháp tuyến lớn hơn Biểu hiện rõ ràng hơn của lực phân tử là sự xâm thực bề mặt

dụ như ma sát của các bề mặt kim loại trong chân không có hệ số ma sát lớn (lớn hơn 1) Nếu đưa không khí vào buồng chân không, chỉ sau một thời gian ngắn, hệ số ma sát đã giảm đi vài lần trong thời gian này ôxy chưa thể tạo thành màng ôxýt để làm phẳng những chỗ nhấp nhô hoặc ngăn cản chúng tiến vào Từ đó, có thể thấy thành phần phân

tử lực ma sát chính là nguyên nhân của sự tăng hệ số ma sát trong chân không Chú ý rằng trong ma sát lăn ảnh hưởng này ít hơn

mặt Gắn liền với hiện tượng này là sự rung của ôtô khi vào khớp, tiếng rít của phanh, sự giật khi phanh, sự rung động của dao tiện khi cắt Có thể chỉ ra một số biện pháp chống xung lực khi ma sát Đó là tăng độ cứng vững của hệ, tăng tốc độ trượt, chọn cặp ma sát

có hệ số ma sát tăng ít khi thời gian tiếp xúc tĩnh dài và không có cực tiểu Màng ôxít, độ

ẩm và bụi bẩn trên bề mặt kim loại ảnh hưởng rõ rệt đến hệ số ma sát Một mặt, lực hút phân tử giữa chúng có thể nhỏ hơn hàng trăm lần, so với trường hợp tương tác kim loại sạch Mặt khác, độ bền của oxýt thường nhỏ hơn độ bền của kim loại Vì vậy, sức cản của việc cầy và cắt các phần tử khi dịch chuyển sẽ giảm đi rất nhiều, dẫn đến hệ số ma sát giảm đi, ngược lại, những màng ôxýt dầy có độ cứng nhỏ hơn, làm tăng sự tiếp giáp thực

học lực ma sát Do đó lực ma sát sẽ tăng dẫn đến hệ số ma sát tăng theo Ta hãy xem ma sát các bề mặt kim loại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phân huỷ của dầu khoáng, nhiệt độ nóng chảy hay phá huỷ của chất bôi trơn rắn Ngay cả ở điều kiện không khí rất loãng, cũng vẫn xuất hiện màng ôxýt trên bề mặt ma sát Tính chất (sự đồng đều, tỷ trọng và độ bền liên kết với kim loại) cũng như cường độ tạo thành chúng phụ thuộc vào thành phần hợp kim Màng với thành phần thích hợp làm giảm lực ma sát và cường độ mài mòn, đồng thời bảo vệ bề mặt khỏi bị gỉ và tiếp xúc trực tiếp Ở không khí loãng, tác dụng bảo

vệ của màng giảm đi

Để ứng vào thực tế sau đây tôi sẽ trình bày phương án thiết kế máy đo hệ số ma sát để thấy rõ được những mối liên hệ giữa các cặp ma sát, cũng như sự phụ thuộc của các yếu tố như: tốc độ trượt, tải trọng vào hệ số ma sát

Trang 22

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MÁY ĐO HỆ SỐ MA SÁT

I MỤC ĐÍCH CHẾ TẠO MÁY ĐO

Xuất phát từ những lý thuyết về ma sát, bôi trơn và mài mòn, đã được khẳng định qua các công trình nghiên cứu thực nghiệm của các nhà nghiên cứu về ma sát trên thế giới và trong nước cùng với thực tế đã chứng minh Để tiến hành những thực nghiệm xác định hệ số ma sát và mài mòn của các loại vật liệu khác nhau, khi có tải trọng P, vận tốc

chiếc máy có thể phục vụ công việc thể nghiệm cho học viên, sinh viên giúp hiểu rõ hơn những bài giảng của môn học ma sát, ngoài ra chiếc máy có thể được sử dụng trong các phòng nghiên cứu để phục vụ một số công tác nghiên cứu khoa học

II YÊU CẦU THIẾT KẾ

Yêu cầu khi thiết kế và chế tạo thiết bị đo hệ số ma sát và mài mòn phải gần giống với điều kiện làm việc thực tế của cặp ma sát như:

• Có thể thay đổi tải trọng P ở mức độ yêu cầu khác nhau

• Có thể thay đổi vận tốc trượt V

• Xác định các hệ số ma sát

• Kết cấu máy phải gọn nhẹ, dễ thao tác, dễ quan sát

• Thuận tiện cho quá trình tính toán các thông số yêu cầu

• Độ tin cậy cao, làm việc ổn định

Máy là một thiết bị chuyên dùng phụ thuộc thí nghiệm:

• Kết cấu bộ truyền đơn giản chỉ gồm bộ truyền đai và ổ lăn

• Công suất truyền dẫn nhỏ

• Mô men xoắn giới hạn bé

• Điều khiển nhẹ nhàng

• Kết cấu máy gọn nhẹ, vận chuyển dễ dàng

• Máy được dẫn động bởi động cơ bước và điều khiển bằng vi điều khiển

• Các thiết bị đo lường đơn giản có sẵn trên thị trường, lắp ráp đảm bảo chính xác

và hiện đại

Trang 23

III.CẤU TẠO MÁY ĐO:

Hình 1 : Máy đo hệ số ma sát

Thông số cơ bản:

• Đường kính mẫu: d = 38 mm

• Vận tốc trượt: v (mm/s) Được tính theo n (vg/ph)

• Tải trọng lớn nhất có thể đặt vào đầu cần 4: Pmax = 400m/s

Trang 24

• Đo được góc lệch khung quay

• Điều khiển trên giao diện hiển thị bằng đồ thị

IV NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Dưới tác dụng của tải trọng Pi và vận tốc trượt Vi, khung quay đi 1 góc α, dựa vào góc quay đó có thể tính được mô men ma sát

Fmstt= µ

r

GeN i

Mẫu trên 4 gắn trên cần 7 bằng vít & được tỳ vào mẫu gắn trên trục 3 (tiếp xúc theo

chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, cần 7 quay xung quanh trục 6 Hệ cần 7

& khung quay 5 quay xung quanh trục 3 Cảm biến đo góc 12 gắn liền với khung 1 Khi tải trọng có giá trị Pi, mẫu 4 tác dụng lên trục mẫu 3 lực Fn Khi trục mẫu 3 quay với vận tốc v(m/s) do người điều khiển truyền thông số từ máy vi tính điều khiển động cơ bước qua bộ truyền đai tới trục mẫu, tại chỗ tiếp xúc của cặp vật liệu xuất hiện lực ma sát Fms

tiếp tuyến với trục 3 ngược chiều quay làm cản trở chuyển động của trục 3 đẩy mẫu 4 cùng khung quay 5 quay Khi đó cảm biến đo góc 12 ghi nhận những thay đổi và truyền tín hiệu qua bộ điều khiển về máy vi tính và góc đo được hiển thị trên màn hình tương ứng lực ma sát tác dụng giữa mẫu 4 & nền 9

Trang 25

CHƯƠNG 3

ĐỘNG CƠ BƯỚC & ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG HỆ THỐNG ĐO HỆ SỐ MA SÁT

I GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC:

Động cơ điện một chiều có ưu điểm là nhỏ gọn, công suất lớn nhưng khó điều khiển chính xác vị trí và tốc độ (Bộ điều khiển cần có cơ cấu phản hồi như encoder), cần

có thời gian quá độ để đạt đến một vận tốc nhất định, mômen khởi động lớn, vận tốc bị ảnh hưởng lớn từ tải

Động cơ bước có các ưu điểm như sau:

# Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng

lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây nguy hiểm

# 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 nhờ vào tác dụng hãm lại

của từ trường rotor

# Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể

điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác

# Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới

chất 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 momen tải quá lớn gây ra hiện

tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số Động

cơ bước được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống tự động và nhiều thiết bị điện tử mà nổi bật là trong các lĩnh vực: Điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và máy in trong máy tính, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

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 roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết

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 roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, 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 roto (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 roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

Trang 26

II CẤU TẠO & PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

Người ta thường chế tạo các động cơ bước có số lượng pha đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha,

5 pha; trong đó thông dụng nhất là 2 pha và 4 pha Roto động cơ bước tạo thành nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kỹ thuật đặc biệt có độ từ hóa cao và chịu mômen tải lớn,

vì chính Roto là bộ phận chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó Người ta thường chế

dụng Trong đó thông dụng nhất trên thị trường hiện nay là loại động cơ bước có góc bước 1,8 o (ứng với 200 bước trong một vòng quay 360 o )

Xét về cấu tạo, động cơ bước có 3 loại chính:

• Động cơ bước có roto được kích thích (có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cữu)

• Động cơ bước có roto không kích thích ( động cơ kiểu cảm ứng và động cơ kiểu phản kháng)

• Động cơ bước kiểu hỗn hợp, kết hợp cả 2 loại trên

1 ĐỘNG CƠ BƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỬU ( Permanent Magnet Motors)

Hay còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng và thường được chế tạo stato dạng hình

lớn nhất là 0,5 Khz và tần số làm việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz

9 4 - Roto nam châm vĩnh cửu có các cực từ xen kẽ

2 ĐỘNG CƠ BƯỚC CÓ TỪ TRỞ THAY ĐỔI (variable reluctance stepping motors)

Hay còn gọi là động cơ phản kháng Kiểu động cơ này có góc nằm trong giới hạn

từ 1,8 0 ÷ 30 0 trong chế độ điều khiển bước đủ, mômen 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 Stato được chế tạo thành dạng răng với bước cực S Cuộn dây pha (2) được quấn trên 2 hoặc 4 răng đối xứng nhau, roto của động cơ cũng được chế tạo thành dạng răng có bước cực βr

Hình 1: Cấu tạo động cơ bước vĩnh cửu

Trang 27

Hình 2 : Cấu tạo động cơ bước có từ trở thay đổi

1) Stato được chế tạo thành dạng răng

2) Cuộn dây pha

3) Roto có từ trữ thay đổi được chế tạo thành dạng răng

3 ĐỘNG CƠ BƯỚC KIỂU HỖN HỢP ( Hybrid stepping motors)

40 khz Trong các loại động cơ bước kể trên thì động cơ bước hổn hợp được sử dụng nhiều hơn cả Vì loại động cơ này kết hợp các ưu điểm của 2 loại động cơ trên, đó là: Động cơ nam châm vĩnh cửu với dạng cực móng và động cơ có từ trở thay đổi

Cấu tạo của động cơ bước thay đổi hỗn hợp là sự kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi Phần Stato được cấu tạo hoàn toàn giống Stator của động cơ bước có từ trở thay đổi Trên các cực của Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây hoặc được quấn thành 2 cuộn dây đặt xen kẽ nhau để hình thành nên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

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

• Bước răng của Roto được xác định bằng biểu thức sau:

Zr Zr

Trong đó: Zr - số răng của Rôto

• Góc bước của động cơ là tỷ số giữa bước răng βr và số pha m của động cơ khi cuộn dây được điều khiển lưỡng cực :

• Trong chế tạo động cơ bước ngoài

3 loại chính kể trên, để có góc bước quay

rất nhỏ người ta còn chế tạo động cơ

bước từ trở thay đổi có nhiều tầng, kết

cấu của loại này được trình bày ở hình

1-3

• Loại động cơ này thường được chế

tạo 2, 3, 4 tầng trình bầy kết cấu của động

cơ bước từ trở thay đổi có ba tầng Trong

mỗi tầng số răng của Stato và Roto giống nhau Vị trí răng của 3 Roto được đặt giống

Hình 3 : Động cơ bước 3 tầng từ trở thay đổi

Trang 28

Luận văn thạc sĩ Ứng dụng cơ điện tử xác định hệ số số ma sát

nhau và được cố định trên trục Roto, nhưng vị trí răng của 3 Stato được đặt lệch nhau 1/3 bước răng

• Góc lệch giữa hai tầng kề nhau được xác định bằng biểu thức sau:

Nếu Roto có Zr = 12 răng thì góc lệch nhau giữa hai tầng kề nhau là 100

Khi có một xung dòng điện điều khiển đặt vào tầng 1 thì răng của Roto & Stato đối đỉnh nhau (vì từ thông chỉ khép kín tại vị trí có từ trở nhỏ nhất) Lúc này răng của Roto

và Stato ở tầng 2 lệch nhau 1 góc là 100, còn răng của Roto và Stato ở tầng 3 lệch nhau là

của stato ở tầng 2, lúc này răng của Roto và Stato của tầng 3 lệch nhau một góc là 100 so với tầng 2 Quá trình điều khiển tiếp tục cho tới khi trở lại tầng 1 Cuối cùng ta có quá trình điều khiển theo trình tự 1-2-3-1

4 MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ THÔNG DỤNG

4.1.ĐỘNG CƠ BIẾN TỪ TRỞ - Variable Reluctance Motors

Mô tơ loại này có 3 cuộn dây, có một đầu nối chung cho tất cả các quận Khi sử dụng dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được

4.2 ĐỘNG CƠ ĐƠN CỰC - Unipolar motor

Trong động cơ bước đơn cực có 4 nam châm điện

tách rời Để làm quay động cơ, cuộn dây thứ nhất “1” được

cấp 1 dòng điện, sau đó tín hiệu hiệu điện trên cuộn 1 bị

ngắt & chuyển sang cuộn 2, tiếp theo đến cuộn 3 rồi đến

lượt cuộn 4 & quay trở lại cuộn 1 thực hiện vòng lặp thứ

2,… Do dòng điện chi chạy qua các cuộn dây theo 1 chiều

nhất định nên được gọi là động cơ đơn cực

Động cơ bước đơn cực có 5 hay 6 dây ở phía

ngoài 4 trong số 6 dây này được nối từng cái với phần

cuối mỗi cuộn dây 2 dây mắc thêm được gọi là dây chung

Hình 4: Động cơ biến từ trở.

Trang 29

Hình 6 : Động cơ đơn cực

Tín hiệu điều khiển

Điều khiển đủ bước (full step) :

4.3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG CỰC - Bipolar Motors

Là động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống hệt động cơ đơn cực , nhung 2 mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm Bản thân động cơ tuy đơn giản hơn nhưng mạch để điều khiển động cơ lại phức tạp

hơn Mỗi cuộn dây được điều khiển riêng rẽ bằng một cầu H

4.4 ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA - Multiphase Motors

Loại này không phổ biến như những loại trên Nó là động cơ nam châm vĩnh cửu

mà các cuộn được nối tiếp thành một vòng kín như hình 6 Phổ biến nhất đối với lại này

sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha Bộ điều khiển cần 1/2 cầu H cho mỗi một đầu ra của

Trang 30

động cơ, nhưng những động cơ bước loại này có thể cung cấp monent xoắn lớn hơn so

với các loại động cơ bước khác cùng kích thước

III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

1 ĐỘNG CƠ BƯỚC NAM CHÂM VĨNH CỬU

Nguyên lý làm việc của động cơ này là dựa vào tác động của một trường điện từ trên một mômen điện từ, tức là tác động giữa một trường điện từ và một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu Roto của động cơ tạo thành một hoặc nhiều cặp từ và mômen điện từ của nam châm được đặt thẳng hàng trên từ trường quay do các cuộn dây tạo nên

Động cơ có hai cuộn dây lắp ở hai cực của Stato, và một nam châm vĩnh cửu ở Roto Khi kích thích một cuộn dây của Stato (đồng thời ngắt điện cuộn kia) sẽ tạo nên hai cực Bắc (North) và Nam (South) của nam châm Roto sẽ thẳng đứng với hướng từ trường

Hình 9: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Các cuộn dây của Stato gọi là các pha Động cơ bước có thể có nhiều pha: 2, 4, 5 pha, nó được cấp điện cuộn này sang cuộn khác với việc đảo chiều dòng điện sau mỗi bước quay Chiều các động cơ phụ thuộc vào thứ tự cung cấp điện cho các cuộn dây và hướng của từ trường

Trang 31

2 ĐỘNG CƠ BƯỚC TỪ TRỞ THAY ĐỔI

Nguyên lý làm việc của động cơ bước 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 Roto có từ trở

thay đổi theo góc quay

Cấu trúc tiêu biểu của động cơ bước có từ trở thay đổi

Hình 10: Động cơ bước từ trở thay đổi

Roto động cơ điện được chế tạo bằng vật liệu dẫn từ, trên bề mặt Roto thường có nhiều răng Mỗi răng của Roto hoặc của Stato gọi là một cực Trên hai cực đối diện được mắc nối tiếp hai cuộn dây tạo thành một phần của động cơ Như vậy động cơ như hình vẽ

có ba pha A, B, C, từ trở thay đổi theo góc quay của răng Khi các răng của Roto đứng thẳng hàng với các cực của Stato, từ trở ở đó sẽ nhỏ nhất Hướng quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều của dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho cuộn dây Nhiệm vụ này do các mạch logic trong bộ chuyển phát thực hiện Với cách thay đổi thứ tự hoặc thay đổi cách kích thích các cuộn dây ta cũng làm thay đổi các vị trí góc quay

Động cơ bước có từ trở thay đổi có chuyển động êm, số bước lớn và tần số làm việc cũng khá lớn (từ 2 đến 5 Khz)

Một số công thức tính cho động cơ bước từ trở thay đổi:

Np : Số pha Pr : Góc độ răng roto

S : Góc bước Rs : Giá trị bước

X = Ns/Np : số răng stato cho một pha

- Góc độ răng giữa hai răng kề nhau được xác định như sau :

60

Nr Np

f Rs

=

Np Nr X

Trang 32

3 ĐỘNG CƠ HỖN HỢP

Động cơ hỗn hợp là sự kết hợp nguyên tắc làm việc của động cơ có bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước có từ trở thay đổi nhằm có được đặc tính tốt nhất của hai loại kể trên là mômen lớn và số bước lớn

Động cơ gồm hai nửa Roto (1) và (2) Nửa(1) có nhiều răng trên Roto, nửa (2) là nam châm vĩnh cửu Do đó có sự kết hợp giữa hai phần nên tạo ra sự kích thích Roto mạnh hơn Động cơ loại này có số bước đạt đến 400 bước, nhưng giá thành đắt

4 ĐỘNG CƠ NHIỀU STATO

Hình 12: sơ đồ động cơ nhiều stato

Động cơ gồm nhiều stato trên cùng một trục Nếu ta dịch chuyển stato đi một góc đồng thời giữ Roto thẳng hàng hoặc ngược lại có bước rất nhỏ Khi cung cấp điện cho stato một cách liên tục, ta sẽ có một động cơ (quay liên tục), đặc tính của nó không tốt bằng động cơ có từ trở thay đổi

IV CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau:

1

2

Hình 11: Sơ đồ động cơ bước

Trang 33

Hình 12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước

D.C.SUPPLY: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống Nguồn một

chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Với các động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều

CONTROL LOGIC: Đây là khối điều khiển logic Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu

điều khiển động cơ Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một hệ thống mạch điện tử Nó tạo ra các xung điều khiển Động cơ bước có thể điều khiển theo

cả bước hoặc theo nửa bước

POWER DRIVER: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh để đưa vào

động cơ Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động

STEPPER MOTOR: Động cơ bước Các thông số của động cơ gồm có: Bước góc,

sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc

Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lại độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện Bước góc của động cơ bước được chế tạo theo tiêu chuẩn 0.9; 1.8; 3.6; 3.75; 7.5; 15.0 ứng với số bước trên 1 vòng quay 400, 200, 100, 96, 48, 24.Xét về bản chất các lực điện từ, có thể điều khiển roto cố định vào một vị trí bất kỳ trong khoảng không gian của

một bước

2 NGUYÊN TẮC CHUNG

Xét về bản chất các lực điện từ, có thể điều khiển roto cố định vào một vị trí bất kỳ

trong khoảng không gian của một bước

Trang 34

Hình 13 : Giản đồ nguyên lý các lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước

Trong đó:

F 1 : Lực điện từ tác dụng lên Roto khi cuộn dây 1 được kích thích

F 2 : Lực điện từ tác dụng lên Roto khi cuộn dây 2 được kích thích

F : Lực điện từ tổng

α : góc bước

β : góc cần điều khiển

Nếu ta điều khiển sao cho F1 và F2 có trị số không bằng nhau thì lực điện từ tổng F

sẽ có hướng thay đổi trong khoảng góc bước α và do đó vị trí của roto thay đổi được và

có thể cố định vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bước α

3 ĐIỀU KHIỂN CẢ BƯỚC

Đầu tiên cho F2 = 0 & F1 = F, cosβ = F/F = 1 nên β = 0, roto ở vị trí cuộn dây 1 Sau

đó cho F1 = 0 và F2 =F, cosβ = cosα hay β = α, roto ở vị trí cuộn dây 2

4 ĐIỀU KHIỂN NỬA BƯỚC

Đầu tiên cho F2 = 0 và F1 = F, cosβ = F/F = 1 nên β = 0, roto ở vị trí cuộn dây 1 Sau

5 ĐIỀU KHIỂN VI BƯỚC

Nếu ta điều khiển sao cho lực F1 giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F2 tăng dần từng bước từ 0 đến F thì roto sẽ quay từng bước từ OA đến OB

6 VẤN ĐỀ VỀ SỰ TRƯỢT BƯỚC

Trong điều khiển động cơ thì hai vấn đề cơ bản là tốc độ và độ chính xác về vị trí Tốc độ của động cơ bước có khả năng điều khiển một cách khá chính xác thông qua lượng xung cấp cho động cơ Vấn đề quan trọng đối với động cơ bước là độ chính xác về

vị trí, hay còn gọi là sự trượt trong quá trình hoạt động của động cơ

Sau khi thực hiện mỗi bước dịch chuyển, rotor của động cơ bước luôn có xu hướng dao động xung quanh vị trí cân bằng một thời gian Nó cũng tương tự như sự dao động trong một hệ thống cơ học, nguyên nhân của sự dao động này là do tải trọng và do nguồn cấp nguồn điện điều chỉnh của động cơ (Power driver)

Sự trượt này có thể được cải thiện bằng cách tăng ma sát hoặc sử dụng hệ thống dập tắt dao động cơ khí, tuy nhiên sử dụng hai phưong pháp này đều làm tăng giá thành và sự phức tạp của hệ thống Cách tốt nhất và thường được sử dụng là sử dụng phương pháp chống dao động bằng điện Phương pháp đơn giản nhất được sử dụng là làm trễ xung cuối cùng, do đó thời gian tác động của xung cuối cùng bị giảm bớt và sau khi kết thúc bước cuối cùng, động cơ có thể dừng lại một cách chính xác hơn

Trang 35

Hình 14 Chống dao động bước

a Không sử dụng hệ thống chống dao động

b Sử dụng hệ thống chống dao động bằng điện

Sử dụng phương pháp chống dao động bằng điện được thực hiện như sau: Khi đến

xung cuối cùng, nó sẽ được làm trễ đi một khoảng thời gian, do đó, thay vì tác động từ thời điểm t 0 , xung cuối cùng sẽ tác động lên động cơ ở thời điểm t 1

Do vậy thời gian tác động của xung cuối cùng sẽ gỉam đi Điều này làm giảm mômen hãm cũng như giảm quán tính của động cơ, do đó vấn đề trượt bước của động cơ có thể

được cải thiện

V MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Mạch điều khiển động cơ bước bao gồm một số chức năng sau đây:

- Tạo các xung với những tần số khác nhau

- Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ

Đầu vào của mạch này là các xung Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi mạch Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistor công suất T1 đến T4 thực hiện.Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại

Hình 13 : Sơ đồ điều khiển cơ bản - động cơ từ trở

Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm quay rotor Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển

Trang 36

được như rơle, transitor công suất Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều

khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính

VI ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG THAY ĐỔI TÓC ĐỘ ĐỘNG CƠ - Pulse Width Modulation (PWM)

1 LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ ĐIỆN ÁP CẤP CHO ĐỘNG CƠ ĐỂ THAY ĐỔI TỐC

ĐỘ ĐỘNG CƠ

Xét một sơ đồ điều khiển động cơ đơn giản như hình vẽ:

+ -

K

DC

Hình 15: Sơ đồ phân tích nguyên lý PWM

Trường hợp thứ nhất: Ta đóng khoá K và quan sát động cơ hoạt động Nếu điện áp

cấp cho động cơ để động cơ hoạt động dủ công suất, ta thấy, tốc độ động cơ là lớn nhất Trong điều chế độ rộng xung, người ta gọi đây là trường hợp xung đầy 100%

Trường hợp thứ hai: Ta tiến hành đóng ngắt khoá K với tần số f1= 15 lần/phút, ta thấy, động cơ chạy giật cục và tốc độ chậm lại

Trường hợp thứ ba: Ta tiến hành đóng ngắt khoá K với tần số f2= 30 lần/phút, động

cơ vẫn chạy giật cục, nhưng với tốc độ nhanh hơn

Trường hợp thứ tư: Mở khoá K, động cơ ngừng quay, trường hợp này là xung 0%

=> Từ đó ta nhận thấy rằng, nếu như ta đóng ngắt khoá K với một tốc độ đủ lớn (ví dụ: f= 1000Hz), khi đó động cơ được đóng ngắt với một tốc độ rất cao và chúng ta không còn có khả năng nhận ra khoảng thời gian động cơ quay - dừng nữa mà chỉ nhận thấy tốc

độ động cơ thay đổi rõ rệt khi ta thay đổi tỷ lệ giữa khoảng thời gian có xung tích cực (cấp điện) và khoảng thời gian không cấp xung (ngắt điện) Đó chính là cơ sở của phương pháp điều chế độ rộng xung thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi điện áp cấp cho động cơ Cụ thể chúng ta xem hình vẽ sau:

Hình 16: Sự thay đổi điện áp khi thay đổi độ rộng xung điện áp cấp

Trang 37

Trên hình vẽ, đường xung vuông tượng trưng cho xung điện áp cấp để động cơ đạt tốc độ là 150 vòng/phút, còn xung răng lược là điện áp thực tế mà động cơ nhận được khi

ta thay đổi độ rộng xung

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để thay đổi độ rộng xung Thông thường người

ta dùng hai phương pháp sau:

• Dùng các IC tạo xung như IC Timer555

• Dùng vi điều khiển để tạo xung

2.1 PHƯƠNG PHÁP DÙNG IC TIMER 555 ĐỂ TẠO XUNG

IC Timer 555 là IC tạo xung, nó có tác dụng tạo ra một xung điều khiển (xung vuông hai mức: Mức cao_+5 V, mức thấp_0 V) có tần số phụ thuộc vào tần số của mạch dao động, độ rộng xung điều khiển được điều chỉnh từ 0%->100% nhờ biến trở RV Một mạch điện đơn giản để điều khiển động cơ một chiều dùng Timer 555 được cho như hình vẽ:

Hình 15: Sơ đồ mạch điện điều chế độ rộng xung điều khiển động cơ một chiều dùng Timer 555

Trong sơ đồ trên, độ rộng xung được điều chỉnh nhờ biến trở R1= 100K, tần số của xung phụ thuộc vào giá trị của R1 và C1

Tuy nhiên, việc dùng Timer555 để điều chế độ rộng xung là phương pháp đơn giản, không linh hoạt, khó có thể điều khiển tự động được Phương pháp này chỉ được giới hạn trong các thí nghiệm, nghiên cứu về mạch điện Để có thể điều khiển một cách linh hoạt và tự động, người ta dùng vi điều khiển để điều chế độ rộng xung

2.2 PHƯƠNG PHÁP DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN ĐỂ TẠO XUNG

Để điều chế được độ rộng xung, từ đó điều chỉnh được tốc độ động cơ thay đổi trong quá trình thí nghiệm, ta làm việc với Interrupt & Timer

Tùy thuộc vào tốc độ động cơ bước ta sẽ xác định được khoảng thời gian cấp xung cho từng pha Từ đó sẽ khởi tạo bộ định thời (Timer) Ví dụ, cần quay động cơ bước với tốc độ 60 v/ph thì số xung câp cho từng pha sẽ là:

Trang 38

1: 200 = 0,005 (s) = 5000 µs

Khi đó khởi tạo cho bộ Timer 16 bit:

216 – 5000 = 60536

Gán giá trị vào 2 thanh ghi: TCNT1H & TCNT1N 2 thanh ghi sẽ đếm giá trị từ

60536 tới 216 = 65536 thì ngắt Mỗi lần ngắt sẽ phát ra 1 xung để mở ra 1 pha

Để chạy động cơ, hệ thống sẽ mở từng pha theo thứ tự 1-4 ứng với các dây

2-3-4-5 ở hình 16

Hình 16

Trong hệ thống máy đo hệ số ma sát thì động cơ được dùng là động cơ bước đơn

cực với 6 đầu dây, trong đó có 2 dây nguồn (còn gọi là 2 dây chung) & 4 dây pha (Hình

18) Để điều khiển động cơ, những dây chung này được nối với 1 nguồn điện cấp & 4 dây

kia được nối với đất thông qua các transistor trường Vì vậy, transitor sẽ điều khiển cho phép dòng điện chạy qua các cuộn dây hoặc là không 1 mạch điều khiển động cơ bước

Trang 39

sẽ kích hoạt cho các transistor làm việc theo đúng trật tự Điều khiển độ rộng xung được thực hiện bằng cách bật tắt nhanh nguồn điện lên động cơ Nguồn áp 1 chiều DC sẽ chuyển thành tín hiệu xung vuông thay đổi từ 24 V xuống 0 V, tạo cho động cơ một loạt các cú sốc điện

Bằng cách thay đổi độ rộng xung, tức là khoảng thời gian "Bật", nguồn điện trung bình đặt lên động cơ sẽ thay đổi & dẫn đến thay đổi tốc độ động cơ

Hình 18 biểu diễn thứ tự cấp xung cho từng pha theo phương pháp điều khiển cả

bước

Tín hiệu điều khiển

Điều khiển cả bước (full step):

Quay lại với ví dụ trên, trong trường hợp vb = 60 v/ph thì các transistor trường ứng

với các cuộn dây 1a, 1b, 2a, 2b sẽ lần lượt mở & dòng 1 chiều sẽ lần lượt chạy qua từng

cuộn dây này trong thời gian 5000 µs Theo tính toán ở trên ta có được kết quả là tốc độ yêu cầu Hình 19 biểu diễn thời gian & thứ tự cấp xung cho các cuộn dây trên stator của

động cơ bước tạo ra giá trị tốc độ là 60 v/ph

Trang 40

Hình 19: Thời gian & thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

Việc điều khiển dễ dàng khiến cho Động cơ bước đơn cực trở nên phổ biến Động

cơ bước đơn cực mang lại phương pháp rẻ nhất để đạt được độ chính xác về chuyển động góc quay

VII TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Tính công suất cần thiết của động cơ theo công thức:

. max6

9.55.10

x dc

M n N

η

=

• Nđc : công suất cần thiết của động cơ (kw)

• nmax: tốc độ lớn nhất trên trục bị dẫn (v/ph)

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	4,9 MB