Thiết kế chế tạo hệ cơ điện tử điều khiển tổ hợp hệ 2, 3, 4 động cơ bước

Những hệ thống cơ điện tử bao gồm những hệ thống sản xuất, những sự truyền động hiệu quả, những hệ thống con của ô tô như những hệ thống phanh chống khóavà thiết bị hàng ngày như máy qua

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa 1

Lời cam đoan 5

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN 12

1.1 Lịch sử phát triển 12

1.2 Xu hướng phát triển cơ điện tử 14

1.3 Cơ cấu chấp hành cơ khí 16

1.3.1 Cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén 16

1.3.2 Cơ cấu chấp hành cơ khí 19

1.4 Linh kiện điện 22

1.4.1 Công tắc 22

1.4.2 Động cơ DC 23

1.4.3 IC nguồn ra 5V 7805 24

1.4.4 Tụ hóa 24

1.4.5 LCD 24

1.4.6 Điện trở 24

1.4.7 Led (Điốt phát quang) 25

1.5 Động cơ bước 25

1.5.1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động 25

1.5.2 Phân loại 26

1.5.3 Ưu điểm của động cơ bước 31

1.5.4 Các thông số của động cơ bước 31

1.5.5 Các đặc tính của động cơ bước 35

1.5.6 Các phương án thao tác bước 36

1.5.7 Điều khiển động cơ bước 39

1.6 Vi điều khiển 42

1.6.1 Định nghĩa 42

1.6.2 Phân loại 43

1.7 Giao tiếp với máy tính 44

1.7.1 Phân loại 44

1.7.2 Lựa chọn phương pháp giao tiếp 45

1.8 Kết luận 47

CHƯƠNG 2 - HỆ CƠ ĐIỆN TỬ TỔ HỢP LỚN HƠN HAI ĐỘNG CƠ 48

2.1 Các sơ đồ khối trong hệ cơ điện tử 48

2.1.1 Sơ đồ khối hệ cơ khí 48

2.1.2 Sơ đồ khối hệ thống điện 49

2.1.3 Sơ đồ khối hệ cơ điện tử 50

2.1.4 Sơ đồ khối hệ thống nhiệt điện 51

2.1.5 Các sơ đồ chính trong hệ cơ điện tử 52

2.2 Động lực học hệ cơ điện tử 54

2.2.1 Phương trình vi phân 54

2.2.2 Tác động ngẫu nhiên và tác động cưỡng bức 54

2.2.3 Tác động chuyển đổi và tác động trạng thái 55

2.3 Kết luận 55

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 56

3.1 Thiết kế sơ đồ vị trí cụm động cơ bước 56

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 57

3.2.1 Khối giao tiếp với máy tính 58

3.2.3 Khối Reset 58

3.3 Khối nguồn 59

3.4 Khối điều khiển 59

3.5.Các phần mềm điều khiển 61

3.5.1 Phần mềm chạy trên máy tính 61

3.5.2 Lưu đồ giải thuật 62

3.5.3 Phần mềm kết nối với máy tính 62

3.6 Thiết bị chế tạo 63

3.7 Giao diện điều khiển 63

3.8 Kết luận 63

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 67

LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Trần Văn Hòa học viên cao học lớp 2013BCĐT.KT khóa 2013B

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

Đề tài: Thiết kế chế tạo hệ cơ điện tử điều khiển tổ hợp hệ 2, 3, 4 động cơ bước

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Doãn Ý

Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác

giả thực hiện

Hà Nội, tháng 4 năm 2016

Tác giả luận văn

Trần Văn Hòa

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT IC: Vi mạch tích hợp Vdd: Nguồn cung cấp

(+3V ~ +5V)

V0: Điều chỉnh độ tương

phản

DC: Một chiều R/W: Đọc và ghi VĐK: Vi điều khiển

Hình 1.2 Sản phẩm tiêu biểu của hệ thống nhúng

Hình 1.3 Micro sensor chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử

Hình 1.4 Động cơ bước từ trở

Hình 1.5 Động cơ bước

Hình 1.6 Động cơ bước đơn cực

Hình 1.7 Động cơ bước hai cực

Hình 1.8 Pha của động cơ bước và cách nối dây

Hình 1.9 Điều khiển nửa bước

Hình 1.10 Biểu đồ mô men thao tác vi bước

Hình 1.11 Thao tác đẩy bước của động cơ PM

Hình 1.12 Điều khiển bằng diot và tụ

Hình 1.13 Điều khiển động cơ bước đơn cực

Hình 1.14 Mạch cầu H

Hình 1.15 Chip L293

Hình 1.16 Sơ đồ chân của 8051

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một sản phẩm cơ điện tử

Hình 2.2 Sơ đồ khối của một sản phẩm cơ điện tử - dây chuyền SX

Hình 3.5 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega

Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật điều khiển

Hình 3.7 Giao diện điều khiển

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong nền kinh tế toàn cầu hiện nay, quốc gia nào đưa ra được các sản phẩm

có sức cạnh tranh cao sẽ có được thị phần và cơ hội phát triển Cơ điện tử là một lĩnh vực chuyên môn kết nối đa ngành kỹ thuật cho phép tạo ra các sản phẩm trí tuệ với giá thành ngày càng rẻ như thế Sự phát triển của máy tính và công nghệ phần mềm làm cho cơ điện tử trở thành một đòi hỏi cấp thiết của những thập niên cuối thế kỷ 20 Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ trong các hệ thống cơ-điện-sinh học máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano, tương lai của cơ điện tử sẽ đầy ắp triển vọng sáng sủa và tiềm năng Cơ điện tử là một lĩnh vực bao gồm cơ học, điện tử học, kỹ thuật điều khiển, tính toán, kỹ thuật phân tử (từ hóa học nano và sinh học), được kết hợp Cơ điện tử là "những hệ thống điện cơ" hay "Điều khiển và kỹ thuật

tự động hóa"

Kỹ thuật điều khiển học cùng giải quyết câu hỏi của kỹ thuật điều khiển của

hệ thống cơ điện tử Nó được sử dụng để điều khiển hay điều chỉnh một hệ thống như vậy (xem lý thuyết điều khiển) Thông qua sự hợp tác các mô đun cơ điện tử thực hiện những mục đích sản xuất và thừa kế những thuộc tính sản xuất linh hoạt

và nhanh nhẹn trong sơ đồ sản xuất Thiết bị sản xuất hiện đại gồm có các mô đun

cơ điện tử được tổng hợp theo một kiến trúc điều khiển Những hệ thống cơ điện tử bao gồm những hệ thống sản xuất, những sự truyền động hiệu quả, những hệ thống con của ô tô như những hệ thống phanh chống khóavà thiết bị hàng ngày như máy quay phim chụp ảnh tự động điều chỉnh tiêu cự, máy chiếu phim, đĩa cứng, máy giặt

Cơ điện tử mang kiến thức tổng quát về lý thuyết kỹ thuật toán học, cơ học, thiết kế thành phần máy, thiết kế cơ khí, nhiệt động lực học, những mạch và những

hệ thống, điện tử học và truyền thông, lý thuyết điều khiển, lập trình, xử lý tín hiệu

số, năng lượng học, kỹ thuật rôbôt

Do đó tìm hiểu và nghiên cứu về cơ điện tử là việc cần thiết để bắt nhịp với

sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay Động cơ bước được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống cơ điện tử, điều khiển từ xa và các thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, máy in trong

hệ máy tính, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay vì vậy học viên chọn đề tài: „ Thiết kế hệ cơ điện tử điều khiển

tổ hợp 4 động cơ bước ‟ được xây dựng trên mục đích thiết thực như vậy

2 Lịch sử nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tự động hóa sản xuất trong công nghiệp và đời sống để giảm bớt sức lao động, nâng cao hiệu suất làm việc Do

đó nghiên cưu và phát triển hệ thống cơ điện tử luôn được ưu tiên hàng đầu

Cơ điện tử được mở ra từ định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric Thuật ngữ Mechatronics được tạo thành bởi “Mecha” trong Mechanics và “Tronics” trong Electronics Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm được phát triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hưu cơ thành phần điện tử vào trong các cơ cấu

và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng Khái niệm mà Harashima, Tomizuko

và Fukada đưa ra năm 1996 là : “ Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp” “ Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp” Năm 1997, Shetty và Kolk quan niệm rằng : “ Cơ điện tử là một phương pháp luận được dung để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện

" Còn gần đây , Bolton đề xuất định nghĩa : “Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển Nó là sự kết hợp đầy đủ các hệ trên” Tóm lại, chúng ta có thể định nghĩa về

hệ cơ điện đó là Mechatronics (Cơ điện tử) là một lĩnh vực đa ngành của khoa học

kỹ thuật, hình thành từ các ngành kinh điển như : Cơ khí, Kỹ thuật điện – điện tử và Khoa học tính toán – tin học

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu của luận văn:

Thiết kế hệ cơ điện tử điều khiển tổ hợp 4 động cơ bước

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

+ Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển tổ hợp động cơ bước

+ Phạm vi nghiên cứu: - Tổng kết các nghiên cứu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu hệ thống cơ điện tử, động cơ bước

- Thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển tổ hợp

bốn động cơ bước

4 Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1, tác giả trình bày tổng quan

về hệ cơ điện tử và một số vấn đề thiết kế hệ cơ điện tử Chương 2 trình bày cấu kiện điện tử và động cơ bước, phần mềm, phần cứng và giao diện Chương 3 trình bày cụ thể hệ cơ điện tử điều khiển tổ hợp lớn hơn hai động cơ bước Chương 4 đưa

ra thiết kế, chế tạo, thực nghiệm, đánh giá kết luận

Đóng góp mới của tác giả: Luận văn đã xây dựng được thiết bị có hệ điều khiển tổ hợp động cơ bước bằng các cấu kiện điện tử và ngôn ngữ lập trình C# trên giao diện Visual Studio Giao diện được hiển thị lên máy tính thông qua truyền

thông nối tiếp

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực

nghiệm:

+ Luận văn nghiên cứu tổng quan về hệ thống cơ điện tử Kết cấu hệ cơ điện

tử tổng quan về lý thuyết cơ khí, điện và tích hợp điện tử điều khiển

+ Nghiên cứu xây dựng thiết bị thực nghiệm tổ hợp bốn động cơ bước Tiến

hành thực nghiệm đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN

1.1 Lịch sử phát triển

Việc cố gắng để xây dựng một hệ thống cơ khí tự động đã có từ rất lâu Các ứng dụng của điều khiển tự động xuất hiện ở Hy lạp từ những năm 300 đến năm thứ nhất TCN, với sự phát triển của cơ cấu điều chỉnh bằng phao Ví dụ như đồng hồ nước của Ktesibilos và đèn dầu của Philon Đến giữa thế kỷ 17 và 19, ở Châu Âu, nhiều máy móc quan trọng được tạo ra mà sau này tham gia vào cơ điện tử Cornelis Drebble (Hà Lan 1572-1633) nghĩ ra máy điều chỉnh nhiệt độ được xem là hệ thống

có phản hồi đầu tiê Sau đó Dennis Papin (1647- 1712) sáng chế ra cơ cấu chỉnh an

toàn áp suất nồi hơi năm 1642

Sự phát triển xa hơn trọng tự động hóa được thúc đẩy bởi lý thuyết điều khiển với khởi nguồn là máy điều tốc ly tâm của Watt năm 1769 Đến thế kỷ 19 hàng loạt các phát minh ra đời Tiền thân của máy điều khiển số NC xuất hiện ở thế

kỷ 19 Năm 1830 Michael Faraday miêu tả định luật cảm ứng điện là nền tảng cho phát minh máy phát điện Năm 1880 Nikola Tesla phát minh ra động cơ điện xoay chiều Sự xuất hiện của hệ thống điện mang lại bước nhảy vọt trong nền khoa học

công nghiệp nói chung và ứng dụng vào ngành cơ điện tử nói riêng

Thuật ngữ Cơ điện tử (Mechatronics) được giới thiệu đầu tiên bởi tập đoàn Yaskawa Elektric của Nhật (Tập đoàn này được thành lập năm 1915), đến năm

1971 tập đoàn này đăng ký Mechatronics là bản quyền của họ Cơ điện tử lúc này được định nghĩa Mechatronics = mechanics + electronics nghĩa là chỉ đơn thuần là ứng dụng các bộ điều khiển được xây dựng bằng kỹ thuật điện tử số để điều khiển

cơ khí chính xác

Năm 1982, Yaskawa Elektric đã chấp thuận để Mechatronics là một từ của công chúng, nghĩa là mọi người đều có thể sử dụng Mechatronics, chính vì vậy Mechatronics được biết đến như một từ Tiếng Anh và là một thuật ngữ để chỉ một ngành riêng biệt đó là "Cơ điện tử" Từ đó đến nay đã hơn 30 năm, Cơ điện tử phát triển nhanh chóng ở tất cả các quốc gia, châu lục nó trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn ở từng đất nước Chính vì sự phát triển nhanh chóng mà qua từng thời kỳ

cơ điện tử có nhiều định nghĩa khác nhau, định nghĩa sau luôn bổ xung thêm cho định nghĩa trước

Một số định nghĩa điển hình về cơ điện tử được phát biểu như sau:

- Cơ điện tử là hệ thống thiết kế và chế tạo sản phẩm mà hệ thống đó có cả chức năng cơ khí và chức năng điều khiển thuật toán tích hợp

- Hệ thống cơ điện tử là máy được tích hợp với các hệ thống được lập trình hoặc khả trình với nhận thức, hoạt động và truyền thông (Royal institute of

technology của Thụy điển)

- Cơ điện tử là sự tích hợp của 3 công nghệ then chốt: Cơ khí, điện và điều khiển (Louisian State University USA)

- Cơ điện tử là sự kết hợp giữa 4 mảng kiến thức: Cơ khí, điện tử, điều khiển

và máy tính ( Theo giáo sư Kevin Craig USA)

- Cơ điện tử là kỹ thuật liên quan đến việc nghiên cứu, thiết kế, thực hiện và bảo trì các sản phẩm thiết kế thông minh và được tích hợp của công nghệ cơ khí, điện tử, máy tính và công nghệ phần mềm ( theo engineersaustralia.org của Úc)

Cơ điện tử cho đến nay vẫn chưa có một định nghĩa cuối cùng và nó không

có giới hạn về các định nghĩa bởi lẽ cơ điện tử không phải là một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mà là ngành ứng dụng kỹ thuật mới nhất của khoa học cơ khí chính xác, lí thuyết điều khiển, khoa học máy tính, điện và điện tử trong quá trình thiết kế để tạo nên sản phẩm có khả năng tương thích cao, độ tin cậy với nhiều chức năng

Hình 1.1: Sản phẩm ứng dụng cơ điện tử

1.2 Xu hướng phát triển cơ điện tử

Xu thế phát triển của cơ điện tử là tích hợp trong đó ngày càng nhiều công nghệ cao, trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn và kích thước nhỏ gọn hơn Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệ thống

cơ điện tử trong thời gian tới là công nghệ mạng máy tính nhúng và công nghệ vật liệu mới Với mạng máy tính nhúng các sản phẩm cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiều nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc

đồng thời ở nhiều vị trí trên diện rộng

Hình 1.2 Sản phẩm tiêu biểu của hệ thống nhúng

Công nghệ vật liệu mới cho ta nhiều vật liệu có đặc tính như điều khiển được hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơ khí

không gian 3 chiều phong phú cho các sản phẩm cơ điện tử

Công nghệ nano, micro nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước phân tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai Với việc điều khiển chính xác

các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra các cảm biến siêu chính xác

Hình 1.3 Micro sensor chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử

Xu thế phát triển thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc phát triển trí thông minh cho các sản phẩm Các sản phẩm nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, mạng noron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý song song đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp dụng cho các sản phẩm cơ điện tử

Cơ điện tử là một lĩnh vực tự nhiên trong quá trình tiến hóa của kỹ thuật hiện đại Mặc dù chưa có một định nghĩa hoàn thiện nào về cơ điện tử nhưng những ứng dụng trực tiếp của nó trong cuộc sống được thể hiện rất rõ ràng Các sản phẩm cơ điện tử trong cuộc sống xuất hiện ngày càng nhiều và nhiều sản phẩm tích hợp trong

nó Có thể nói tương lai cơ điện tử đang mở rộng và nó đang và sẽ chiếm vị trí quan trọng trong công nghệ tương lai

Hệ cơ điện tử bao gồm cơ khí, điện, điện tử Phần tiếp theo sẽ đưa ra các cơ cấu chấp hành cơ khí là thành phần phía sau một hệ cơ điện tử, nhận lệnh điều khiển( hầu hết là dạng tín hiệu) và gây ra một sự thay đổi trong hệ vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dòng chảy … Các linh kiện điện, điện tử tổ hợp hình thành mạch điều khiển cho động cơ bước và phần mềm giao diện điều khiển

1.3 Cơ cấu chấp hành cơ khí

1.3.1 Cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén

Cơ cấu chấp hành là thành phần phía sau một hệ cơ điện tử, nhận lệnh điều khiển (hầu hết là dạng tín hiệu) và gây ra một sự thay đổi trong hệ vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dòng chảy… Các cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén thường là động cơ quay hoặc piston/xilanh hay van điều khiển Chúng phù hợp cho các ứng dụng cần lực và dịch chuyển lớn Cơ cấu chấp hành khí nén, dùng khí nén cho lực thấp và trung bình, hành trình ngắn, tốc độ cao

Các cơ cấu chấp hành thủy lực hay khí nén có dạng tịnh tiến (xi lanh) hoặc dạng quay (động cơ) là các hệ thống liên tục bởi chúng có thể xác định vị trí của các phần di động (của tay đòn ứng với trường hợp xi lanh hay của trục ứng với trường hợp động cơ) ở mọi điểm trong quá trình chuyển động Sự hoạt động của xi lanh và động cơ chịu nhiều ảnh hưởng lớn của ma sát (tĩnh và động) tại nơi tiếp xúc giữa các phần tử di động

Các phần tử trung gian như van phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chế độ hoạt động của cơ cấu chấp hành Trong trường hợp khi nó chỉ chuyển động qua lại, với vị trí của cơ cấu chấp hành ở điểm cuối hành trình, thường dùng van phân phối dạng gián đoạn có từ hai đến ba vị trí

1.3.1.1 Hệ thống van

Van là một bộ phận trong hệ thống thủy lực có nhiệm vụ điều khiển công suất thủy lực truyền tới cơ cấu chấp hành Vai trò của chúng là đóng/mở dòng chảy của dầu hoặc phân hướng nó theo yêu cầu, do đó cho phép điều chỉnh hai đại lượng

vật lý chính của việc truyền chất lỏng là áp suất và lưu lượng dòng chảy Phân loại van theo chế độ hoạt động, bao gồm các dạng: van định hướng, van đóng mở, van điều chỉnh áp suất và van tiết lưu

1 Van định hướng

Van định hướng quyết định lượng và chiều dòng dầu qua nó bằng sự dịch chuyển của các phần tử di động tương ứng trong chúng do tác động từ bên ngoài Van định hướng cũng được xem như van phân phối, được phân biệt nhờ các dạng của các phần tử di động, do đó chúng được phân loại theo cấu trúc bên trong, bằng

số lượng kết nối có thể với các ống dẫn ngoài và số vị trí chuyển mạch Các phần tử

di động có thể có dạng hạt hoặc dạng con trượt Các van dạng hạt không phân biệt dạng chất lỏng và không chịu tác động của các tạp chất trong chất lỏng đó, nhưng yêu cầu lực tác động lớn vì nó không thể tạo ra sự bù trừ với áp lực dầu Các van con trượt cho phép kết nối đồng thời theo một vài dạng khác nhau với các sơ đồ chuyển khác nhau, do đó thông dụng hơn bởi sự linh hoạt của chúng Các van định hướng có thể điều khiển theo nhiều cách : bằng tay, cơ khí, các thiết bị như cam, đòn bẩy… thủy lực và khí nén

Các van một chiều loại bi và nón có kết cấu đơn giản, ít sức cản nhưng khó đóng khít Do không có dẫn hướng nên khi đóng dễ bị lệch tâm, gây nên rò rỉ chất lỏng qua van Van một chiều pittông có thành dẫn hướng nên để đóng khít hơn Tuy nhiên do phải thắng lực ma sát khi đóng van, lò xo phải cứng hơn lò xo của các loại van khác, do đó sức cản dòng chảy bị tăng lên Vì vậy chỉ nên dùng loại van một chiều pittông khi cần thoát một lưu lượng lớn và áp suất làm việc cao[9]

2.Các van đóng mở

Các van đóng mở là các van đơn hướng, chỉ cho phép dòng chảy chất lỏng chảy theo một hướng hay còn gọi là van một chiều Các van loại này thường được đặt trong mạch thủy lực giữa bơm và cơ cấu chấp hành Về mặt cấu trúc, các van này bao gồm một cơ cấu chấp hành là một hòn bi hoặc piston được duy trì tại vị trí

của nó nhờ lực đẩy của lò xo (van một chiều) hoặc bằng áp suất chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra (van đơn hướng)

3 Van điều chỉnh áp suất

Có hai loại van điều chỉnh áp suất cơ bản : các van hạn chế áp suất và van an toàn Các van hạn chế áp suất đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Thường

có một van áp suất tối đa trong mạch thủy lực để xả bất kỳ dòng chảy dư thừa nào

về bể chứa Các van hạn chế áp suất có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp Chức năng của các van điều chỉnh áp suất là giữ áp suất không đổi cuối dòng Việc điều chỉnh các mức áp suất này có thể bằng tay, bằng tín hiệu dẫn hướng hoặc bằng tín hiệu điện tương tự

4 Van tiết lưu

Các van dạng này dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng chất lỏng đi qua nó

Nó hoạt động như van tiết lưu đơn giản tương tự một cửa van có diện tích thay đổi Lưu lượng qua van tiết lưu là hàm của diện tích thông qua và hiệu giữa áp suất trước và sau van Do đó, van tiết lưu dạng đơn giản rất nhạy cảm với tải, bởi lưu lượng dòng chảy cũng phụ thuộc sự giảm áp suất ở điểm cuối của nó và chịu sự chi phối của các thành phần khác trong hệ thống

1.3.1.2 Hệ thống bơm

Bơm chuyển năng lượng điện cơ học sang dạng năng lượng thủy lực Chúng tạo ra dòng chất lỏng trong hệ thống thủy lực với áp suất nhất định bởi độ cản thủy lực theo hướng xuôi dòng từ phía phát Các máy bơm li tâm có lưu lượng cao ở áp suất thấp Chúng không có các van trong nhưng có một khe hở lớn giữa phần quay

và phần tĩnh để đảm bảo dòng chảy vô cùng phù hợp Những loại bơm thủy tĩnh hay bơm có lượng đẩy dương lại có áp suất cao với lưu lượng hạn chế Chúng gồm các phần tử như các van và nắp phân chia khu vực tạo áp suất với khu vực đầu vào, chúng có thể đưa các xung vào dòng chảy trên đầu ra và thường cần sử dụng các chất lỏng có đặc tính bôi trơn và khả năng chịu tải cao để giảm ma sát giữa các phần

trượt của bơm Có các dạng bơm có lượng đẩy thay đổi hoặc không đổi Các dạng bơm chính có lượng đẩy dương là : bơm bánh răng, bơm cánh gạt và bơm piston

1.3.2 Cơ cấu chấp hành cơ khí

Các cơ cấu chấp hành cơ khí được dùng nhiều trong hệ cơ điện tử, bên cạnh các cơ cấu chấp hành khí nén, thủy lực, cơ điện chúng là bộ phận quan trọng của cơ điện tử Trong không gian các cơ cấu chấp hành hay các phần tử cơ khí giữa chúng

sẽ có sáu bậc tự do Bao gồm:

- Các chuyển động quay quanh các trục x, y, z

- Các chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục x, y, z

1.3.2.1 Các bộ số truyền có tỷ số truyền không ổn định

Bao gồm các cơ cấu nhiều khâu khớp (quay và trượt ) : cơ cấu tay biên – con trượt, các cơ cấu tay quay thanh truyền Cơ cấu tay quay thanh truyền thường bao gồm một tay quay (tay biên) có liên hệ chặt chẽ với khâu truyền dẫn Khâu kết nối giữa thân máy cố định và tay quay thường là con trượt và con lắc Nếu có một khớp

là khớp trượt ta gọi đó là bộ truyền tay biên-con trượt

Các tay quay thanh truyền thường được sử dụng để truyền lực và biến đổi các chuyển động quay sang chuyển động thẳng Nếu quá trình chuyển động điều khiển bằng cơ khí và diễn ra phức tạp hơn thì ta dùng cơ cấu chuyển động theo biên dạng hay là cơ cấu bánh cam Cấu tạo cơ cấu này bao gồm một trục lắp bánh cam quay tròn và một khâu dẫn thẳng hay còn gọi là cần đẩy (cơ cấu cam cần đẩy) hoặc

là một trục lắp bánh cam và một tay đòn có thể quay được hay còn gọi là cần lắc (

cơ cấu cam cần lắc) Biên dạng (bánh cam) thường ở dạng đĩa phẳng (phẳng) hoặc dạng hình trống (cam thùng) Để giảm bớt ma sát thường dùng con lăn lắp ở đầu khâu dẫn cho lăn trên biên dạng cam Ưu điểm của cơ cấu là quá trình dẫn động trực tiếp theo nguyên tắc phản tác dụng lực hoặc tác dụng theo rãnh cam cũng như quá trình truyền tín hiệu điều khiển Nhược điểm cơ bản của cơ cấu cam là những tiêu hao lớn trong quá trình chế tạo và lắp đặt các bánh cam

2 Truyền động xích

Truyền động xích thuộc loại truyền động bằng ăn khớp gián tiếp, nó dùng để truyền động giữa các trục xa nhau Dùng truyền động xích có thể giả tốc hoặc tăng tốc Khả năng tải và hiệu suất cao hơn truyền động đai, cùng một lúc có thể truyền chuyển động và công suất cho nhiều trục Nhược điểm là chế tạo và chăm sóc phức tạp, làm việc có va đập, chóng mòn nhất là khi bôi trơn không tốt và môi trường làm việc làm nhiều bụi Trong thực tế có thường dùng truyền động xích để truyền công suất dưới 100kW, vận tốc tới 15m/s Tuổi thọ của truyền động xích trong các máy tĩnh tại vào khoảng 3000 - 5000 giờ[3]

3 Truyền động bánh răng

Truyền động bánh răng dùng để chuyền chuyển động giữa các trục, thông thường có kèm theo sự thay đổi về trị số và chiều của vận tốc hoặc momen Tùy theo vị trí tương đối giữa các trục có chuyển động bánh răng trụ (răng thẳng, răng nghiêng, răng chữ V) để truyền các trục song song nhau Truyền động bánh răng trụ chéo hoặc bánh răng côn chéo để truyền chuyển động giữa các trục chéo nhau[3]

Trong quá trình làm việc, răng của bánh răng có thể bị hỏng ở mặt răng như tróc rỗ, mòn, dính hoặc hổng chân răng như gẫy, trong đó nguy hiểm nhất là tróc rỗ

về ma sát trong ren lớn, hiệu suất thấp, nguy hiểm về mòn tăng[3]

1.3.2.3 Các bộ truyền có chuyển động không liên tục

Các bộ truyền có chuyển động không liên tục được dùng để truyền động theo từng bước, ví dụ ở băng tải, bàn máy quay theo hình tự đóng - ngắt mạch, đầu dao revolve hoặc các đèn chiếu phim dương bản Bộ truyền không liên tục phổ biến nhất

1.4 Linh kiện điện

2 Điôt

Điôt có ý nghĩa quan trọng là điều khiển một chiều Điốt bán dẫn có cấu tạo

là một chuyển tiếp p-n với hai điện cực nối ra phía miền p gọi là anôt, phía miền n gọi là catôt Hoạt động của điot bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ[14]

3 Thyristor

Có thể như một điôt, có một cổng điều khiển trạng thái.Cổng thể hiện là 0, dòng điện qua thyristor không đáng kể khi đó hiệu điện thế sẽ đổi chiều[14]

4 Mosfet

MOSFET (metan-oxit-trường hiệu dụng tran) đi vào bằng hai cách, kênh n

và kênh p Cổng điện áp là điểm báo điều khiển, như vậy điều khiển mạch làm đơn giản trong đó không cần quan tâm đến cỡ của dòng điện hình Cuộn dây từ tính có thể sử dụng để phân chia đưa điện có tác dụng phát động[14]

1.4.2 Động cơ DC

Trong qui ước động cơ DC, lõi của cuộn dây có khung có phần ứng, phần ứng có khung và quay tự do Nó là khung trong từ trường sinh ra bằng cực từ Nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện với chúng hiện tượng từ tính sinh ra bằng một dòng điện đi qua cuộn lõi dây từ tính

1 Nam châm vĩnh cửu của động cơ DC

Quan tâm đến một nam châm vĩnh cửu của động cơ DC, nam châm vĩnh cửu cho một giá trị là hằng số của thông lượng một phần ứng dẫn điện chiều dài L và mang dòng điện I, lực F sinh ra từ một mật độ thông lượng B góc hướng bên phải đến dây dẫn là B.i.L

2 Động cơ DC và lõi từ mắc nối tiếp

Động cơ đưa vào khối động với momen xoắn lớn và không tải.Với tải lớn sẽ

có nguy hiểm cho mạch vì động cơ chạy với tốc độ qua cao tính phân cực đổi chiều cung cấp cho lõi không có tác dụng trong sự điều khiển quay của động cơ Nó sẽ tiếp tục quay giống nhau trừ khi cả trường và dòng điện phần ứng đã đổi chiều

1.4.3 IC nguồn ra 5V 7805

Hầu hết mạch số và vi xử lý đều dùng nguồn 5V Do nguồn một chiều ta thường dùng khoảng 9-24 V nên việc để tạo ra nguồn 5V nuôi cho mạch ta dùng IC LM7805 LM 7805 dùng chân input cho phép các nguồn một chiều khác (9-24V) vào còn chân Common dùng để chung đất cho đầu vào và ra Còn chân output đầu

ra 5V nuôi mạch

1.4.4 Tụ hóa

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động bao gồm hai mặt dẫn điện gọi là khung, phân cách bởi một chất cách điện, gọi là điện môi ( không khí, giấy, mica, dầu nhờn, nhựa, cao su, gốm, thủy tinh…) Tụ hóa là tụ có phân cực âm dương, tụ hóa có trị số lớn hơn và giá trị từ 0.47microF đến 4700 microF, tụ hóa thường được

sử dụng trong các mạch có tần số thấp hoặc dùng để lọc nguồn, tụ hóa luôn có hình trụ…

1.4.5 LCD

Hiển thị tinh thể lỏng, được tạo thành từ các điện cực trong suốt trên các tấm thủy tinh chứa tế bào tinh thể lỏng phản xạ ( nematic, nematic xoắn, hoặc ferro electronic Bằng cách đặt các điện thế vào các điện cực xác định, hình dạng của vùng phản xạ và không phản xạ sẽ được tạo ra Độ phân giải của thiết bị phụ thuộc vào các đoạn trên một đơn vị diện tích Ưu điểm LCD là tiêu thụ ít điện Nhược điểm của nó là thụ động (không sử dụng được trong bóng tối), hiệu suất quang thấp, góc nhìn hạn chế

1.4.6 Điện trở

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở vô cùng lớn Điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất C và kim loại tùy tỉ lệ pha trộn mà người ta tạo được các loại điện trở có trị số khác nhau

Biến trở là điện trở có thể thay đổi giá trị, ký hiệu VR Chúng thường ráp trong máy phục vụ cho quá trình sửa chữa, cân chỉnh của kỹ thuật viên

1.4.7 Led (Điốt phát quang)

LED viết tắt của Light Emitting Diode Đèn LED trắng khác với các LED màu đã được biết đến ở đất nước ta qua các bóng đèn nhỏ nhiều màu: xanh đỏ, vàng,…

1.5 Động cơ bước

Công nghiệp ngày nay càng có những bước tiến mới nhằm tăng năng suất lao động và mức độ tinh vi của sản phẩm Để đáp ứng nhu cầu đó đã có hàng loạt dây chuyền tự động và các trung tâm gia công công nghệ cao ra đời, mà một trong những thành phần của nó là các máy công cụ điều khiển số và robot công nghiệp Mặt khác modul quan trọng trong các thiết bị này là bộ dẫn động điều khiển chính

vì vậy chương trình này được đưa vào nhằm tìm hiểu về động cơ bước, một trong các động cơ hiện nay hay được sử dụng cho các thiết bị này Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật mạch bán dẫn, mạch tích hợp cũng như các thiết bị bán dẫn công suất lớn, giá thành các mạch điều khiển rẻ, động cơ bước có công suất lớn đã được chế tạo do đó mà lĩnh vực ứng dụng của nó đã được mở rộng đáng kể Phần lớn các thiết bị kỹ thuật hiện đại có sử dụng động cơ bước vì những ưu điểm của nó như thích hợp tín hiệu do máy tính cung cấp, sai số vị trí không tích lũy, điều khiển vị trí không cần phản hồi Để đưa động cơ bước vào sử dụng trong việc dẫn động các thiết bị trên chúng ta cần tìm hiểu chúng để từ đó có thể chọn được bộ truyền động đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của thiết bị mà chúng ta chế tạo đồng thời nhằm mục đích giảm giá thành

1.5.1 Định nghĩa và nguyên lý hoạt động

1 Định nghĩa

Là động cơ điện truyền những tín hiệu điện điều khiển dưới dạng các xung điện áp thành chuyển động góc quay và có khả năng giữ roto vào vị trí cần thiết

Chiều quay động cơ có thể thực hiện nhờ vào chuỗi tín hiệu điều khiển mạch dẫn động

Mô tơ bước cho phép chuyển đổi những tín hiệu xung điều khiển thành chuyển động quay của trục roto theo từng bước đều nhau[10]

2 Nguyên lý hoạt động

Động cơ được khởi động bằng phương pháp tần số, roto của động cơ bước có thể được kích thích cực tính hoặc không được kích thích cực tính (roto thụ động) Xung điện áp cung cấp có thể là xung 1 cực hoặc xung 2 cực Khi xung là 1 cực thì điện áp biến đổi từ 0 đến +U còn khi xung 2 cực thì điện áp biến đổi từ -U đến +U

Bộ truyền mạch điện tử đưa các xung điện áp điều khiển vào các cuộn dây stato, theo thứ tự và tần số xác định Tổng góc quay roto tương ứng với số lần chuyển mạch Tốc độ, vận tốc, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

1.5.2 Phân loại

Động cơ bước có thể phân loại theo các cách sau:

Cách 1: Phân loại động cơ thành các loại hai pha, ba hoặc bốn pha Tùy theo

số cặp cực trên stato ( hai cực, ba cực hoặc bốn cực Roto cũng có nhiều cực gọi là răng Số cực của roto phù hợp với số cực stato, nó xác định kích thước góc bước[10]

Cách 2: Phân loại động cơ theo kiểu roto của động cơ Theo cách chia này có

3 loại động cơ bước được ứng dụng trong công nghiệp là:

+ Động cơ bước từ trở biến đổi VR (Variable Reluctance Motor)

+ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Magnet Motor)

+ Động cơ bước kiểu hỗn hợp hay kiểu lai – (Hybrid Motor)

Trong đó động cơ bước kiểu lai (Hybrid Motor) được ứng dụng nhiều nhất trong công nghiệp

1 Loại có từ trở biến đổi (Variable Reluctance Motor)

Hình 1.4 Động cơ bước từ trở

Nếu motor có 3 cuộn dây, được nối như biểu đồ hình 1.4, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó là một động cơ biến từ trở Khi sử dụng, dây nối chung ( C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kích theo thứ tự liên tục

Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 2.2, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răng roto và số cực stato tối thiểu Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho 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

Thông thường có 3 hoặc 4 cuộn dây được nối chung một đầu Đầu chung được nối với nguồn dương, các đầu còn lại cho với đất để quay roto Cả stato và roto đều có răng Roto được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay

Chiều quay của động cơ không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp điện cho các cuộn dây

Loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm việc cao, chuyển động êm nhưng momen chuyển động nhỏ

2 Loại lai (Hybrid)

Loại động cơ này về cấu tạo giống với động cơ bước kiểu đơn cực Tuy nhiên chỉ có 4 đầu ra So với động cơ kiểu đơn cực thì loại này không có hai đầu ra

ở điểm giữa mỗi cuộn dây ( chú ý đến chiều quấn dây) Ưu điểm của động cơ bước loại này là dòng điện chạy qua cả cuộn dây (cuộn 1, cuộn 2) vì vậy tạo được momen lớn Tuy nhiên mạch điều khiển loại động cơ này phức tạp hơn, chúng ta phải đảo chiều dòng điện cho các cuộn dây Mạch điều khiển sử dụng mạch cầu H

3 Loại nam châm vĩnh cửu ( Permanent Magnet )

Loại động cơ nam châm vĩnh cửu có roto là một nam châm vĩnh cửu, điều này cho phép duy trì được momen khi động cơ bị mất năng lượng cấp vào Động cơ bước nam châm vĩnh cửu yêu cầu công suất thấp hơn để hoạt động Chúng cũng có đặc tính chống rung tốt hơn Góc bước của loại này có nhiều mức: o

60450

O O

N

N

N

N N

N

S

S

S S S

Hình 1.5 Động cơ bước

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được chia thành:

Động cơ đơn cực:

Hình 1.6 Động cơ đơn cực Động cơ bước đơn cực, dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 1.6, 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 chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

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 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 hơn Động cơ 300 mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ bước 150 và 7,50 là khá hơn Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1,80 và với động

cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3,6 độ đến 1,8 độ, còn tốt hơn nữa

có thể đạt đến 0,720

Động cơ hai cực:

Hình 1.7 Động cơ hai cực Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống

y như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu cư động cơ được nối đơn giản hơn, không

có đầu trung tâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn Minh họa ở hình 1.7 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần roto ở đây giống y như ở hình 1.6

Động cơ nhiều pha:

Một bộ phận khác 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 2.6 Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha Bộ điều

khiển cần 1

2

cầu H cho mỗi 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 0.72 độ (500 bước mỗi vòng) Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước[10]

1.5.3 Ưu nhược điểm của động cơ bước

Sai số vị trí không gian tích lũy, ví dụ sai số của động cơ bước PM 1,80 là 0,0090 (5%) cũng có nghĩa là cho cả vòng 3600

Rất thích hợp với tín hiệu điều khiển do máy tính cung cấp

Ưu điểm lớn nhất của động cơ bước trong điều khiển vị trí là có thể điều khiển không cần phản hồi (khi điều khiển chính xác số bước quay của động cơ, đếm

số bước ta có thể xác định được vị trí của động cơ một cách chính xác mà không cần đến phản hồi vị trí) và ta có thể điều khiển trực tiếp ghép nối với máy tính

Nhược điểm duy nhất là công suất của motơ bước chưa cao, lý do là lực giữ cho rôto dừng ở vị trí giữa các bước là lực hút giữa hai cực từ khác tên nhau Công suất motơ càng lớn thì lực hút này càng lớn, trong khi nam châm được gắn trên roto cũng cần một lực giữ có độ lớn tương đương để không bị bật ra khỏi rôto[10]

1.5.4 Các thông số của động cơ bước

Góc bước hoạt động của động cơ bước phụ thuộc vào giới hạn vốn có của nó

do nhà cản xuất chế tạo motor ( kiểu của động cơ bước ) cộng thêm các phương án thao tác bước Sau đây là các thông số của nó Dựa vào các thông số cho ta sự lựa chọn thay thế các chương trình ứng dụng của động cơ để đạt các kết quả mong muốn

1 Góc bước

Góc bước  là góc xác định bởi mỗi xung kích, giá trị của nó được đo bằng

độ Độ chính xác càng cao góc bước càng nhỏ và mịn Có thể chế tạo động cơ bước với góc bước nhỏ xác định

S: là số bước của động cơ bước, số bước cho mỗi vòng ( bước/vòng)

: góc bước, là khoảng cách của góc roto quay khi mỗi lần xung kích thích

4 Độ chính xác vị trí

Động cơ bước có thể quay các góc xác định đáp ứng tín hiệu xung và dừng ở các vị trí chính xác Nó phụ thuộc vào độ chính xác cơ khí của roto hay stato Độ chính xác của động cơ bước được tính cộng hay trừ phần trăm các góc của một bước thường là ±5%

Bởi sai số không tích lũy nên tổng sai số không đổi dù cho động cơ có quay một hay nhiều bước Khe hở giữa stato và roto càng nhỏ càng tốt vì càng nhỏ momen giữ càng lớn

5 Tốc độ bước và tần số xung:

Tần số xung cho bởi tần số bước trong 1s Tốc độ cho bởi tần số xung (Hz)

Vì tốc độ bước dùng để chỉ tốc độ của động cơ bước

60Fn

6 Pha của động cơ bước (Step motor phase)

Pha là số cuộn dây độc lập trên stato Cũng có thể được phân biệt theo cách nối dây liên quan đến số pha

(a) (b)

V V

(c) (d)

( e ) ( f )

Hình 1.8: Pha của động cơ bước và cách nối dây

a, 2 pha: 4 dây lưỡng cực; b, 2 pha: 6 dây lưỡng cực

c, 2 pha: 8 dây ( đơn cực ); d, 3 pha: 4 dây

e, 4 pha: 8 dây; f, 4 pha: 8 dây ( nối tiếp )

4 Điện trở cuộn dây:

Là đại lượng cản trở dòng điện cuôn dây Momen phụ thuộc biến đổi dòng điện cuộn dây Dòng điện tính theo công thức E

IR

 khi biết điện trở cuộn dây và điện áp pha

5 Quán tính roto:

Là khoảng cách góc chuyển động của trục động cơ bước được biết khi góc bước và tần số xung của động cơ được biết Phương trình sau xác định khoảng cách góc trên trục động cơ bước:

N.B360

 

(1.3)Trong đó:

: góc dịch chuyển trên trục roto

Cho rằng đường cong momen xoắn so với giá trị góc gần đúng hình sin Chừng nào momen xoắn còn bằng momen giữ, roto vẫn sẽ nằm trong ¼ chu kì so với vị trí cân bằng Đối với một động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp hai mấu, điều này có nghĩa là roto sẽ giữ nguyên vị trí so với vị trí cân bằng trong phạm vi một bước

Nếu không có nguồn cấp vào các mấu động cơ, momen xoắn sẽ không 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 ram omen xoắn nhỏ, và trong các động cơ nam châm vĩnh cửu hỗn hợp, lực hút giữa các cực và từ trường vĩnh cửu của roto có thể tạo ra momen xoắn đáng kể mà không cần 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 một người khờ khạo sẽ nghĩ 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 biên độ lớn hơn khoảng 10% momen xoắn giữ của động cơ, nhưng nhìn chung các động cơ từ cấc 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

1.5.6 Các phương án thao tác bước

Động cơ bước được điều khiển bằng tín hiệu số trực tiếp nó được điều khiển bằng các linh kiện bán dẫn (transito,mosfet….), bằng cách đóng ngắt dòng điện của các cuộn dây lên stato một cách liên tiếp bởi các xung vuông bằng nhau logic = 0 ứng với điện áp = 0 V Tùy thuộc vào chuyển mạch điện tử có thể cung cấp theo từng nhóm cuộn, trị số và chiều của sức điện động tổng F của động cơ và do đó vị trí của Roto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho cuộn dây Qua đó ta có các phương pháp thao tác bước đó là:

Hình 1.9 Điều khiển nửa bước

Miễn là không có phần nào của mạch từ bão hòa, thì việc cấp điện đồng thời cho hai mấu động cơ sẽ sinh ra một momen xoắn theo vị trí là tổng của các momen xoắn với hai mấu động cơ riêng lẻ Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác pha, và nếu dòng qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể từ đỉnh của đường cong gốc, như ở hình vẽ

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 là:

h220,5.h1 (1.4)

Trong đó

h1 – Momen xoắn giữ trên một mấu

h2 – Momen xoắn giữ hai mấu Thao tác vi bước:

Cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khác nhau qua hai mấu động cơ như hình 1.10:

+1S

+3S

-1S-3S

Hình 1.10 Biểu đồ momen thao tác vi bước

Đối với một động cơ hai mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu, cho rằng các mạch từ không bão hòa và các đường cong mo men xoắn trên mỗi mấu theo vị trí là một hình sin hoàn hỏa Công thức dưới đây đưa ra những đặc tính chủ chốt của đường cong momen xoắn tổng hợp:

a – Momen xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại 0 radians

b – Momen xoắn áp trên mấu với vị trí cân bằng tại S radians

h – Momen xoắn giữ tổng hợp

x – Vị trí cân bằng tính theo radians

S – Góc bước tính theo radians Thao tác đầy bước:

Nếu các cuộn dây stato được cấp điện riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3,4 của các cuộn dây stato thì roto củ động cơ bước có vị trí cân bằng ổn định trùng với vecto sức từ động Dưới đây là mẫu thao tác đẩy bước của động cơ nam châm vĩnh cửu 2 pha với stato 4 cực[10]

N

N N

S S

S S

S

N

N

N N

N

S

S

S S

S

N

N

N N

N

S

S

S S

N

N

N N

S S

S S

54°

O

c)Vị trí sau hai bước d)Vị trí sau ba bước

Hình 1.11 Thao tác đẩy bước của động cơ nam châm vĩnh cửu

1.5.7 Điều khiển động cơ bước

Trong nhiều trường hợp, chúng ta phải thiết kế bộ điều khiển, có thể là một máy tính hoặc một mạch điều khiển giao tiếp lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát tín hiệu điều khiển đóng mở

Cuộn dây, lõi solenoid của động cơ hoặc các chi tiết tương tự đều là các tải cảm ứng Như vậy, dòng điện qua cuộn dây không thể đóng ngắt tức thời mà không làm áp tăng vọt đột ngột Khi công tắc điều khiển cuộn dây đóng, cho dòng điện đi qua, làm dòng điện tăng chậm Khi công tắc mở, sự tăng mạnh điện áp có thể làm

hư công tắc trừ khi ta biết cách giải quyết thích hợp

Điều khiển bằng điôt:

Có hai cách cơ bản để xử lý sự tăng áp này, đó là mắc song song với cuộn dây một diot hoặc một tụ điện Hình 1.12 minh họa hai cách này:

+ supply

control

Hình 1.12 Điều khiển bằng diot và tụ

Diot trên hình 1.12 phải có khả năng dẫn toàn bộ dòng điện qua cuộn dây, nhưng nó chỉ dẫn mỗi khi công tắc mở, khi dòng điện không còn qua cuộn dây Bộ điều khiển điển hình động cơ bước đơn cực thay đổi theo sơ đồ trên hình 1.13