TÌM HIỂU VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 1.1. Giới thiệu chung về động cơ bước 2 1.2. Ứng dụng của động cơ bước trong công nghiệp 2 1.3. Nội dung tìm hiểu của đề tài 3 CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 4 2.1. Cấu tạo 4 2.1.1. Động cơ nam châm vĩnh cửu 5 2.1.1.1. Kiểu đơn cực 5 2.1.1.2. Kiểu lưỡng cực 7 2.1.1.3. Kiểu nhiều pha 9 2.1.2. Động cơ bước biến trở từ 10 2.1.3. Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) 11 2.1.4. Đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước 12 2.1.5. So sánh ưu nhược điểm giữa Step motor (động cơ bước) và Servo motor (động cơ servo) 12 2.2. Nguyên lý hoạt động và điều khiển 13 2.2.1. Nguyên lý hoạt động 13 2.2.2. Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ bước 14 2.2.3. Các chế độ hoạt động của động cơ bước 16 2.2.3.1. Chế độ full step 16 Tại mỗi thời điểm chỉ có 1 mấu được cấp điện. 16 2.2.3.2. Chế độ half step 16 2.2.3.3. Chế độ micro step 17 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 18 3.1. Sơ đồ điều khiển chuyển động của rôbốt bằng động cơ bước 18 3.1.1. Khối điều khiển 18 3.1.1.1. Thiết kế mạch tạo chuyển động dùng ULN2003 18 3.1.1.2. Giới thiệu sơ lược về IC 89C51 18 3.1.2.1. Động cơ bước 20 3.1.2.2. Các thành phần cơ học khác 22 3.1.2. Sơ đồ mạch và hoạt động của rôbôt 22 3.1.3. Thiết kế mạch chạy theo đường đi tuỳ ý (theo vệt đen) 23 3.2. Sơ đồ máy che giếng trời tự động 29 3.2.1. Giới thiệu phần cứng hệ thống 30 3.2.1.1. Arduino UNO R3 30 3.2.1.2. Drive TB6600 32 3.2.1.3. Động cơ bước, cảm biến mưa, công tắc hành trình 33 3.2.2. Chương trình điều khiển trên arduino 35 CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ - KẾT LUẬN 38 4.1. Đánh giá 38 4.2. Kết luận 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39   DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. 1 Cấu tạo động cơ đơn cực 5 Hình 2. 2 Hình minh họa cấp xung điều khiển động cơ kiểu đơn cực 7 Hình 2. 3 Cấu tạo động cơ kiểu lưỡng cực 8 Hình 2. 4 Cấu tạo động cơ kiểu nhiều pha 8 Hình 2. 5 Các pha và cách nối dây của động cơ bước 5 pha thành 5 đầu ra 9 Hình 2. 6 Cấu tạo động cơ bước biến trở từ 10 Hình 2. 7 Cấu tạo động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) 11 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto có 2 cực (2p=2) và không được kích thích. 13 Hình 2. 9 Hình minh họa thứ tự cấp điện các cuộn dây và các bước quay 14 Hình 3. 1 Cấu trúc bên trong của 89C51 18 Hình 3. 2 Sơ đồ chân của 89C51 19 Hình 3. 3 Cấu trúc bên trong động cơ bước 20 Hình 3. 4 Thứ tự cấp xung 20 Hình 3. 5 Hoạt động của từng cuộn dây trong động cơ bước 21 Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển robot 22 Hình 3. 7 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển robot theo vệt đen 23 Hình 3. 8 Cấu tạo hệ thống máy che giếng trời tự động 29 Hình 3. 9 Động cơ bước 33 Hình 3. 10 Rain senso 33 Hình 3. 11 Công tắc hành trình 34   DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1 Bảng trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha đơn cực 15 Bảng 3. 1 Các thông số của Arduino uno R3 31 Bảng 3. 2 Bảng cài đặc dòng điện trên driver cho động cơ bước 32 Bảng 3. 3 Cài đặc vi bước cho drive 32   LỜI MỞ ĐẦU Trong điều khiển chuyền động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Đức, Nhật, Trung quốc, Mỹ,… là những nước chế tạo nhiều động cơ bước, trong đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn, và 5 cuộn dây pha. Chúng được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máy tính, điều khiển robot, điều khiền tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trí trong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay,… Nội dung đồ án nghiên cứu những vấn đề và khái niệm cơ bản như cấu tạo, phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ, ứng dụng của động cơ bước. Nội dung đồ án chỉ đề cập tới những khái niệm và vấn đề cơ bản của động cơ bước và ứng dụng của động cơ bước, mặc dù có sự hướng dẫn tận tình của giảng viên nhưng do trình độ có hạn nên trong bài viết của em còn nhiều thiều sót, em rất mong nhận được sự giúp đỡ góp ý của cô để em có thể hiểu thêm về nội dung liên quan đề tài của mình. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 1.1. Giới thiệu chung về động cơ bước Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không đồng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là Stator và Rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bộ điều khiển, và đặc biệt các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí có định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh cho phép chúng quay khá nhanh và với một bộ điều khiển thích hợp chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở vị trí bất kỳ nào đó. 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. Thực chất nó là một động cơ đồng bộ dùng đề biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc chuyền động của rotor có khả năng cố định rôto ở những vị trí cần thiết. 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. 1.2. Ứng dụng của động cơ bước trong công nghiệp Trong điều khiển chuyền động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số. Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, 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...Ứng dụng trong máy CNC, dây chuyền băng tải vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, dây chuyền đóng nắp chai, sử dụng để làm các khớp chuyển động của robot,… 1.3. Nội dung tìm hiểu của đề tài Giới thiệu chung về động cơ bước, và khả năng ứng dụng của nó trong công nghiệp, ưu nhược điểm của nó so với các loại động cơ khác. Trình bày được các loại động cơ bước, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại. Trình bày được 2 ứng dụng của động cơ bước.   CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 2.1. Cấu tạo Động cơ bước là 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 rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết. Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.  Xét về cấu tạo động cơ bước có 3 loại chính: + Động cơ bước nam châm vĩnh cữu + Động cơ bước biến trở từ + Động cơ bước biến lai (động cơ bước hỗn hợp) Về cấu tạo động cơ bước lai không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cữu. Nếu mất đi nhãn trên động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến trở từ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ 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° đến 0.72° 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 (hold torque) của động cơ. 2.1.1. Động cơ nam châm vĩnh cửu Động cơ nam châm vĩnh cửu lại được chia làm 3 loại: Kiểu đơn cực, kiểu lưỡng cực, kiểu nhiều pha. 2.1.1.1. Kiểu 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 quần như sơ đồ Hình 2.1, 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 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 300 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 150 và 7.50 là khá lớn. 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 3.60 đến 1.80, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.720. Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy: Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110017001 Mấu 1b 0010001000100010007000100 Mấu 1b 0011001100110017001100110 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 01100110011001 10011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian --> thời gian --> Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên. Vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2 chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau: Mấu 1a 11000001110000011100000111 Mấu 1b 00011100000111000001110000 Mấu 2a 01110000011 100000111000001 Mấu 2b 00000111000001110000011100 Thời gian --> 2.1.1.2. Kiểu lưỡng cực Động cơ lưỡng cực hoặc nam châm vĩnh cửu 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 đề đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh hoạ ở Hình 2.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở Hình 2.1. Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu. Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ: Đầu 1a +---+---+---+--- ++--++--++--++-- Đầu 1b --+---+---+---+- --++--++--++--++ Đấu 2a -+---+---+---+-- -++--++--++--++- Đầu 2b ---+---+---+---+ +--++--++--++--+ thời gian  Hình 2. 3 Cấu tạo động cơ kiểu lưỡng cực Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực, ở mức độ lý thuyết, và răng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiển 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 ta 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 nối tiếp với một đầu trung tâm thì dùng như với động cơ đơn cực điện thế thấp.   2.1.1.3. Kiểu nhiều pha Một bộ phận các động cơ không được phố biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quần nối tiếp thành một vòng kín như Hình 2.5. Thiết kế phố 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 một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thề cung cấp moment 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 đề có được bước 0.72° (500 bước mỗi vòng). Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây: Đầu 1 +++-----+++++-----++ Đầu 2 --+++++-----+++++--- Đầu 3 +-----+++++-----++++ Đầu 4 +++++-----+++++----- Đầu 5 ----+++++-----+++++- Thời gian 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. Sư thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào 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 2.4, 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 nổi thành hình sao 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. 2.1.2. Động cơ bước biến trở từ Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong sơ đồ Hình 2.5, với một đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hắn 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. Dấu thập trong Hình 2.6 là rotor của động cơ biến từ trở quay 300 mỗi bước. Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 300 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 cắp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn. Theo quy ước 1 có nghĩa là có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng: Cuộn 1 1001001001001001001001001 Cuộn 2 0100100100100100100100100 Cuộn 3 0010010010010010010010010 thời gian --> Hình dạng động cơ được mô tả trong Hình 2.6, quay 300 mỗi bước, dùng số răng rotor và số cực stator 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 rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ. 2.1.3. Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp) Về cấu tạo kết hợp cả 2 loại trên, phát huy được ưu điểm của 2 loại. Rotor cho động cơ bước lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Có momen hãm khi ngắt điện,có mômen giữ và momen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn. 2.1.4. Đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước Hệ truyền động động cơ bước có 5 đặc điểm cơ bản: - Không chối than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chồi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hằm lò...) có thể gây nguy hiểm.

KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LÊ THỊ HỒNG ÁNH

ĐỒ ÁN 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC VÀ ỨNG DỤNG

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ

(Phiếu này phải đóng vào trang đầu tiên của báo cáo)

1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài (Số lượng sinh viên: 1)

2 Tên đề tài: Tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng

3 Nhiệm vụ của đề tài:

Giới thiệu chung về động cơ bước, và khả năng ứng dụng của nó trong côngnghiệp, ưu nhược điểm của nó so với các loại động cơ khác

Trình bày được các loại động cơ bước, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từngloại

Trình bày được 2 ứng dụng của động cơ bước

4 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 11/9/2019

5 Ngày hoàn thành và nộp về khoa: ……….

TP.Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20

Trưởng khoa Trưởng bộ môn Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Cho đến hôm nay, Đồ án 1 của em đã được hoàn thành cũng chính là nhờ sựnhắc nhỡ, đôn đốc và sự giúp đỡ nhiệt tình của cô Tuy nhiên, do chưa có kinh nghiệmthực tiễn, Đồ án tìm hiểu về động cơ bước và ứng dụng của em sẽ không tránh đượcnhững sai sót và khuyết điểm Vì vậy em rất mong được sự quan tâm xem xét, hướngdẫn thêm của các Cô…

Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô khoa Điện – Điện Tử Nhữngngười đã trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quý báutrong những năm học vừa qua

Cuối cùng, em xin kính chúc Cô cùng các Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện Tửluôn có nhiều sức khoẻ, may mắn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI MỞ ĐẦU

Trong điều khiển chuyền động kĩ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng

số Đức, Nhật, Trung quốc, Mỹ,… là những nước chế tạo nhiều động cơ bước, trong

đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn, và 5 cuộn dây pha Chúng được sử dụng ngày càngrộng rãi trong các hệ thống tự động, điều khiển xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổibật là trong các lĩnh vực sau: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm, và máy in trong hệ máytính, điều khiển robot, điều khiền tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển vị trítrong các hệ quang khắc phức tạp, điều khiển bắt, điều khiển lập trình trong các thiết

bị gia công, cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay,…

Nội dung đồ án nghiên cứu những vấn đề và khái niệm cơ bản như cấu tạo,phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ, ứng dụng của động cơ bước Nội dung đồ ánchỉ đề cập tới những khái niệm và vấn đề cơ bản của động cơ bước và ứng dụng củađộng cơ bước, mặc dù có sự hướng dẫn tận tình của giảng viên nhưng do trình độ cóhạn nên trong bài viết của em còn nhiều thiều sót, em rất mong nhận được sự giúp đỡgóp ý của cô để em có thể hiểu thêm về nội dung liên quan đề tài của mình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC

1.1 Giới thiệu chung về động cơ bước

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không đồng bộchuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là Stator và Rotor là nam châm vĩnh cửuhoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vậtliệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bộ điều khiển,

và đặc biệt các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyênbất kỳ vị trí có định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào

Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh cho phépchúng quay khá nhanh và với một bộ điều khiển thích hợp chúng có thể khởi động vàdừng lại dễ dàng ở vị trí bất kỳ nào đó

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 Thực chất nó là một động cơ đồng bộ dùng đềbiến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành cácchuyển động góc quay hoặc chuyền động của rotor có khả năng cố định rôto ở những

vị trí cần thiết

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, nhưngkhi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiểnvòng kín với động cơ bước

1.2 Ứng dụng của động cơ bước trong công nghiệp

Trong điều khiển chuyền động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạngsố

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứngdụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiểntiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điều khiểnbắt, 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 Ứng dụngtrong máy CNC, dây chuyền băng tải vận chuyển hàng hóa trong nhà máy, dây chuyềnđóng nắp chai, sử dụng để làm các khớp chuyển động của robot,…

1.3 Nội dung tìm hiểu của đề tài

Giới thiệu chung về động cơ bước, và khả năng ứng dụng của nó trong côngnghiệp, ưu nhược điểm của nó so với các loại động cơ khác

Trình bày được các loại động cơ bước, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từngloại

Trình bày được 2 ứng dụng của động cơ bước

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA

ĐỘNG CƠ BƯỚC2.1 Cấu tạo

Động cơ bước là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dướidạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc cácchuyển động của rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết Về cấu tạo,động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiềukhông tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộchuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần sốnhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng nhưchiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyểnđổi

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

+ Động cơ bước nam châm vĩnh cữu+ Động cơ bước biến trở từ

+ Động cơ bước biến lai (động cơ bước hỗn hợp)

Về cấu tạo động cơ bước lai không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnhcữu

Nếu mất đi nhãn trên động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến trở từ, cácbạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điệncho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoaynhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dùcảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng cóthể 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 cơnam châm vĩnh cửu đơn cực.

Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗibước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8° đến0.72° 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 điềukhiển 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 mộtmấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đógiữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ(hold torque) của động cơ

2.1.1 Động cơ nam châm vĩnh cửu

Động cơ nam châm vĩnh cửu lại được chia làm 3 loại: Kiểu đơn cực, kiểu lưỡngcực, kiểu nhiều pha

2.1.1.1 Kiểu 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 quần như sơ đồ Hình 2.1, 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 cuộnđó

Hình 2 1 Cấu tạo động cơ đơn cực

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải vàbên 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 đốixứng hơn Động cơ 300 mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ namchâm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 150 và 7.50 là khá lớn 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 3.60 đến 1.80, còn tốt hơn nữa, có thểđạt đến 0.720

Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo racực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam Nếu điện ở mấu 1

bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước Để quay động cơ một cách liêntục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy:

Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110017001

Mấu 1b 0010001000100010007000100 Mấu 1b 0011001100110017001100110

Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 01100110011001 10011001100 Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011

thời gian > thời gian >

Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc Cả haidãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm Dãybên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên Vì vậy,

nó dùng ít năng lượng hơn Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc vànói chung sẽ tạo ra một moment xoắn lớn hơn dãy bên trái 1.4 lần trong khi phải cấpđiện gấp 2 lần

Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần lượt tạinhững vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên Chuỗi kết hợp như sau:

Mấu 1a 11000001110000011100000111

Minh hoạ ở Hình 2.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở Hình 2.1 Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển

cầu H cho mỗi mấu Tóm lại, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu củamấu được điều khiển một cách độc lập Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loạiđộng cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn ápđược áp vào mỗi đầu của động cơ:

Hình 2 2 Hình minh họa cấp xung điều khiển động cơ kiểu đơn cực

Hình 2 3 Cấu tạo động cơ kiểu lưỡng cực

Chú ý rằng những dãy này giống như trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơncực, ở mức độ lý thuyết, và răng ở mức độ mạch đóng ngắt cầu H, hệ thống điều khiểncho 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 dâybiến từ trở ta đo điện trở giữa các cặp dây Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnhcửu có 4 mấu độc lập, được xếp thành 2 bộ Trong mỗi bộ, nếu hai mấu được nối tiếpvới nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối song song, thì đó

là động cơ hai cực dùng điện thế thấp Nếu chúng được nối tiếp với một đầu trung tâmthì dùng như với động cơ đơn cực điện thế thấp

2.1.1.3 Kiểu nhiều pha

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

cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quần nối tiếp thành một vòng kín như

Hình 2.5 Thiết kế phố 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 một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này cóthề cung cấp moment xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kíchthước Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao đề có được bước 0.72° (500 bướcmỗi vòng) Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, nhưtrình bày dưới đây:

Đầu 1 +++ -+++++ -++

Hình 2 4 Các pha và cách nối dây của động cơ bước 5 pha thành 5 đầu ra

Hình 2 5 Cấu tạo động cơ kiểu nhiều pha

Đầu 2

+++++ -+++++ -Đầu 3 + -+++++ -++++

Đầu 4

+++++ -+++++ -Đầu 5

+++++ -+++++-Thời gian

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 Sư thay đổi này làm ngắt điện ở một mấu nối vào 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 2.4, 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 nổi thành hình sao 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

2.1.2 Động cơ bước biến trở từ

Hình 2 6 Cấu tạo động cơ bước biến trở từ

Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong sơ đồ Hình 2.5, với một

đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hắn là một động cơ biến từ trở Khi sửdụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được

kích theo thứ tự liên tục Dấu thập trong Hình 2.6 là rotor của động cơ biến từ trở quay

300 mỗi bước Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấnquanh hai cực đối diện Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1.Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 300 theo chiềukim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2 Để quay động cơ này một cách liên tục,chúng ta chỉ cần cắp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn Theo quy ước 1 có nghĩa là

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

2.1.3 Động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp)

Hình 2 7 Cấu tạo động cơ bước lai (động cơ bước hỗn hợp)

Về cấu tạo kết hợp cả 2 loại trên, phát huy được ưu điểm của 2 loại Rotor chođộng cơ bước lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa trònđồng tâm xoay quanh trục của nó.

Có momen hãm khi ngắt điện,có mômen giữ và momen quay lớn, hoạt động vớitốc độ cao và có số bước lớn

2.1.4 Đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước

Hệ truyền động động cơ bước có 5 đặc điểm cơ bản:

- Không chối than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chồi than làm tổn haonăng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hằm 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 tốttrong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được momen thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụnghãm lại của từ trường rotor

- Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thể rất lớn của động cơ bước là ta cóthể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí nhưcác động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)

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

- Đáp ứng tốt: Động cơ bước có thể đáp ứng tốt khi khởi động, dừng và đảochiều quay một cách dễ dàng

2.1.5 So sánh ưu nhược điểm giữa Step motor (động cơ bước) và Servo motor (động cơ servo)

- Step motor

+ Ưu điểm:

• Có thể điều khiển chính xác góc quay, giữ và đảo chiều dễ dàng

• Giá thành thấp.

+ Nhược điểm:

• Về cơ bản dòng từ Driver tới cuộn dây động cơ không tăng hoặc giảmtrong lúc hoạt động Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bướcgây sai lệch trong điều khiển

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

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

- Servo motor

+ Ưu điểm:

• Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dâyđộng cơ giúp tiếp tục quay Tránh hiện tượng trượt bước như trongđộng cơ bước

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto có 2 cực (2p=2) và không được kích

thích

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộchuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần sốnhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng nhưchiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyên đổi và tần số chuyểnđổi

Hình 2 9 Hình minh họa thứ tự cấp điện các cuộn dây và các bước quay

2.2.2 Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ bước

Động cơ bước thường quay theo các bước xác định vì vậy mà nó thường sửdụng chủ yếu để điều khiển thích nghi nghĩa là tốc độ quay biến đổi liên tục,thậm chíđộng cơ bước phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát Với lẽ đó, vận tốc quay củađộng cơ bước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình Vtb.

Vtb = = f ( vòng/giây)