Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bước

Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; động cơ servo thì không xảy ra vấn đề này...

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHẦN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

PHỤ LỤC

Phần mở đầu 5

I.Lý do chọn đề tài 5

1.Giới thiệu 5

2.Lý do chọn đề tài 6

Phần thân bài 7

I.Khái niệm 7

1.Động cơ bước 7

2.Phân loại động cơ bước 8

II.Nguyên lý hoạt động 9

1.Nguyên lý hoạt động 9

2.Cấu tạo 10

2.1.Động cơ biến từ trở 10

2.2.Động cơ bước đơn cực 12

2.3.Động cơ bước hai cực 13

2.4.Động cơ bước nhiều pha 14

III.Phương pháp điều khiển 15

1.Điều khiển bằng xung 15

2.Điều khiển mạch cầu H 17

3.Điều khiển PLC 22

IV.Ứng dụng động cơ bước 23

Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước Cả hailoại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog.Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và

vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần

Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và

nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp

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

2 Lý do chọn đề tài.

Trong những năm gần đây động cơ bước đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển chính xác Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Động

cơ bước là một loại động cơ điện nhưng có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa

số các động cơ điện thông thường Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước, độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tính hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với

số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Chính vì vậy luôn tồn tại những vấn đề phát sinh trong việc điều khiển một cách cóhiệu quả của động cơ này

Vì thế nhóm chúng em chọn đề tài: “ Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bước” Bên cạnh việc được sử dụng rộng rãi nhưng tài liệu nói về động cơ bước khá ít Đócũng là khó khăn của nhóm khi làm đề tài này Thời gian làm đề tài ngắn và kiến thức sinh viên năm ba còn chưa đủ chuyên sâu nên không thể tránh những thiếu sót Rất mong các bạn và giáo viên đóng góp để đề tài phát triển hơn,đầy đủ hơn Chân thành cảm ơn!

PHẦN THÂN BÀI

I KHÁI NIỆM

1 Động cơ bước.

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa

số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ 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 rôto, có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết mà không cần phản hồi Động cơ làm việc phải có

bộ đổi chiều điện tử dùng chuyển đổi các cuộn dây điều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số theo lệnh đã cho Góc quay tổng hợp của rôto động cơ bước tương ứng chính xác với số lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quay phụ thuộc theo thứ tự chuyển đổi, tốc độ quay phụ thuộc vào tần số chuyển đổi.Như vậy trong trường hợp tổng quát có thể xem động cơ bước với bộ điều khiển đổi chiều điện tử như một hệ thống điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ với khả năng định vị trí góc xoay rôto, tức là bằng cách thay đổi tần số cho tới 0

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đạc biệt hữu hiệu bở nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số, hoạc như một phần tử phụ biiens đổi tín hiệu xung thành tín hiệu điều chế cho một

hệ thống nào đó

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa cần độ chính xác cao Ví dụ như điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các thiết bị quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điều kiển bắt và bám mục tiêu trong các khí tài quân sự, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,điều khiển

cơ cấu lái trong máy bay và đặc biệt trong công nghệ máy tính thì động cơ bước được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in

Với nhiệm vụ và chức năng nói trên, động cơ bước đòi hỏi những yêu cầu riêng về kĩ thuật, ngoài những yêu cầu chung:

- Làm viecj đảm bảo khi có cuộn dây điều khiển ít nhất

- Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấu tạo đơn giản

2 Phân loại động cơ bước.

Tùy theo cấu tạo động cơ bước có những loại như sau:

- Chỉ thị hay động lực

- Thuận nghịch hay không thuận nghịch

- Có một stato hay nhiều stato

- Có một hay nhiều cuộn dây điều khiển

- Roto phản kháng (không có dây quấn)và roto tác dụng (có dây quấn kích thích hoặc nam châm vĩnh cửu.

- Rôto hình đĩa hay rôto mạch in

- Bước dịch chuyển xoay hay dịch chuyển thẳng trực tiếp

Nhưng đa số đều chọn phân loại theo cách dươi đây

Theo nguyên lý hoạt động người ta chia làm ba loại:

- Động cơ bước có từ trở biến đổi

- Động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu

- Động cơ bước nhiều pha

Vì chúng ta có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự

do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế Động cơ biến

từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ

điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (holdtorque) của động cơ

II Nguyên lý hoạt động

1 Nguyên lý hoạt động.

Cấu tạo đơn giản nhất: có ba đôi cực ở starto và hai đôi cực ở rôto

Dây quấn đôi cực 11 có điện thì rôto ở vị trí 1.

Tiếp theo, đôi cực 11,22 rô to quay một góc 15o ở vị trí 2

Khi ngắt dòng điện trong dây quấn đôi cực 11 thì rô to quay thêm 15o ở vị trí 3

Hình 1

Hình 2

Hình 3

30o 15o

2 Cấu tạo

2.1 Động cơ biến từ trở

Hình 1 Động cơ biến từ trởCấu tạo của động cơ này là rôto và stato được chế tạo bằng vật liệu từ

Nếu động cơ có ba cuộn dây Được nối như hình 1, với mootj dầu nối chung chotất cả các cuộn dây, những động cơ như thê thì chắc chắn là động cơ biến từ trở.Khi sử dụng dây nối chung ( C ) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn dây được kích theo thứ tự liên tục dấu thập trong hình 1 là rôto của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước Rôto trong động cơ này có 4 răng và stato có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện Khi một cuộn được kích điện, răng X của rôto bị hút vào cực 1 Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rôto sẽ quay 30 độ theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2 Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn dây Hình dạng động cơ trong hình 1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răng rôto 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 rôto một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ vài độ

Các thông số tính toán:

ZR: Số răng rôto

ZS: Số răng stato.

M: số pha

tR = 360o/ ZR :Bước răng rôto (độ)

TS = 360o/ ZS : Bước răng stato (độ)

H = tR / M =| tR - TS | (Độ/bước)

RS =360o / H = ZR x M (Bước/ vòng)

X = ZS /M : Số răng stato trên pha

Nếu tần số điều khiển trên xung là f và động cơ dịch chuyển 1 bước tương ứng với một xung thì tốc độ động cơ được tính:

n = 60f/ RS (Vòng/phút)

2 2 Động cơ bước đơn cực

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5,6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2, với một đầu nối trung tâm

trên các cuộn dây 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 Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này Từ đây, khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu, việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái động cơ Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc, xếp xen kẽ trên vòng tròn Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn,rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá lớn Người ta cũng đã tạo ra được động

cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ 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 0.72 độ

2 3 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 của 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 hoạ ở hình 3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như

ở hình 2 Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu; điều này sẽ được bàn chi tiết trong phần mạch điều khiển Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập

Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và rằng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điềukhiển cho hai loại động cơ này là giống nhau

Để phân biệt một động cơ nam châm vĩnh cửu hai cực với những động cơ 4 dây biến từ trở, đo điện trở giữa các cặp dây Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối song song, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp Nếu chúng được nốitiếp với một đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp.2.2.4 Động cơ bước nhiều pha

Hình 4 Động cơ nhiều pha.

Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín như hình 4 Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha

Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động

cơ này có thể cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước kháccùng 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

Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vào cực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ Chú ý rằng, tại mỗi bước, chỉ có một đầu thay đổi cực Sự thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nốivào đầu đó (bởi vì cả hai đầu của mấu có cùng điện cực) và áp điện vào một mấu đang trong trạng thái nghỉ trước đó Hình dạng của động cơ được đề nghị như hình 4, dãy điều khiển sẽ điều khiển động cơ quay 2 vòng Để phân biệt

động cơ 5 pha với các loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếp của một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R Và cũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có

5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫn chính Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụng mạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiển bởi một vòng cầu H đầy đủ của nó Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linh kiện điện tử, có thể dùng chip mạch cầu tích hợp đầy đủ để tính toán gần đúng

III Phương pháp điều khiển.

1 Điều khiển bằng xung.

Sơ đồ một

(tức là cuộn 1 được cấp điện thì cuộn 2 ngắt và ngược lại.tương tự với 3,4

Bảng sự thật Sơ đồ bước động cơ

đã được chọn trước sau đó tự dừng và hiển thị số vòng quay lên bảng số.

IV Ứng dụng động cơ bước.

Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực từ dân dụng đến công nghiệp.

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa cần độ chính xác cao Ví dụ như điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các thiết bị quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điều kiển bắt và bám mục tiêu trong các khí tài quân sự, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt theo chương trình điều khiển, điều khiển cơ cấu lái trong máy bay và đặc biệt trong công nghệ máy tính thì động cơ bước được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máyin…

Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước Cả hailoại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog.Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và

vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần

Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề, và

nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp

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

Đây là ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước so với động cơ servo