Tìm hiểu hệ truyền động – Động cơ bước

TÌM HIỂU HỆ TRUYỀN ĐỘNG – ĐỘNG CƠ BƯỚC Yêu cầu: Cấu tạo động cơ. Phân loại động cơ. Nguyên tắc điều khiển động cơ. Các loại Driver có sẵn trên thị trường. Ứng dụng của hệ. Lời nói đầu Trong điều khiển chuyển 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,v,v…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 khiển tiêu cự trong các hệ quang học,điều khiển vị trí trong các hệ quang khắc phức tạp, 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

TÌM HIỂU HỆ TRUYỀN ĐỘNG – ĐỘNG CƠ BƯỚC

Yêu cầu:

• Cấu tạo động cơ

• Phân loại động cơ

• Nguyên tắc điều khiển động cơ

• Các loại Driver có sẵn trên thị trường

• Ứng dụng của hệ

Lời nói đầu

Trong điều khiển chuyển 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,v,v…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 khiển tiêu cự trong các hệ quang học,điều khiển vị trí trong các

hệ quang khắc phức tạp, 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 v.v…

Nội dung báo cáo nghiên cứu những vấn đề và khái niệm cơ bản như cấu tạo, phân loại, nguyên tắc điều khiển động cơ,một vài loại driver có sẵn trên thị trường, ứng dụng của hệ truyền động động cơ bước.Nội dung báo cáo chỉ đề cập tới những khái niệm và vấn đề cơ bản của đông cơ bước và hệ truyền động sử dụng 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 thiếu sót không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được sự giúp

đỡ góp ý của thầy để em có thể hiểu thêm về nội dung liên quan bản báo cáo của mình

đã chọn

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 cố 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 để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor có khả năng cố định rô to 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 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; servo motor thì không xảy ra vấn đề này

II CẤU TẠO

Về cấu tạo động bước có thể coi là tổng hợp của hai động cơ :

1. Động cơ một chiều không tiếp xúc

2. Động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Hình 2.1 hình dạng của một loại động cơ bước

Chương 2

PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG CƠ BƯỚC

I.Phân loại

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

◦ Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

◦ Động cơ bước biến trở từ

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

Về cơ bản động cơ bước lai không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửuNếu 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 mỗibước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.80 đến 0.720 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

I 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

1. Kiểu đơn cực

Hình 1.1

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 1.1, 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 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

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 1100110011001100110011001

Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110

Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100

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:

hình 1.2 hình minh họa cấp xung điều khiển

1.Kiểu lưỡng cực

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp lưỡng 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 1.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống

y như ở hình 1.1 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:

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 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, 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 điên thế thấp

1. Kiểu nhiều pha

Hình 1.4 các pha và cách nối dây của động cơ bước 5 pha thành 5 đầu ra

Một bộ phận các động cơ 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 1.4

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 khác cùng kích thước Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.720 (500 bước mỗi vòng) Với

một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòng bước, như trình bày dưới đây:

có một đầu thay đổi cực Sự 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 1.4, 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 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

II Động cơ bước biến trở từ

Hình 2.1

Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 2.1, với một

đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn 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 2.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay

30 độ 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 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 Theo logic đặt ra, trong bảng dưới

đây 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 2.1, quay 30 độ 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

III.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 moomen hãm khi ngắt điện,có mômen giữ và

mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số

bước lớn

Hình 3.1

IV Đặc điểm của hệ truyền động điện động cơ bước

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

1. 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

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

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

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

3. 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, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo)

4. 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

5. Đáp ứng tốt: Động cơ bước có thể đáp ứng tốt khi khởi động, dừng và đảo chiều quay một cách dễ dàng.

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

- 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

- Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung lắc

Cả hai loại động cơ có những ưu - nhược điểm riêng Việc lựa chọn loại động cơ nào là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Dưới đây là bảng so sánh những đặc điểm cơ bản giữa hai loại động cơ:

Mạch Driver Đơn giản Người dùng có thể chế tạo chúng

Mạch phức tạp Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất

lớn) Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt

5 pha HB: 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000 ppr)

Phụ thuộc độ phân giải của

có thể được kích thích (rôto tích cục) hoặc không được kích thích (rôto thụ động)

Hình 1.1 vẽ sơ đồ nguyên lý đông 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 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 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

Hình 1.2 hình minh họa thứ tự cấp điện các cuộn dây và các bước quay

II.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 sử dụng chủ yếu để điều khiển thích nghi nghĩa là tốc độ quay biến đổi liên tục,thậm chí động cơ bước phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát.với lẽ đó,vận tốc quay của động cơbước thường luôn được hiểu là vận tốc trung bình vtb

f: tần số dịch bước (f=n/t ,trong t giây ta thực hiện n lần dịch bước mỗi lần dịch 1 bước)

ө: là góc của 1 bước của động cơ

Từ công thức ta thấy Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f.lưu ý rằng tần số dịch bước f trong trường hợp tổng quát không đồng nhất với tần số các xung điều khiển,mà nó là tổ hợp của sự biến đổi các trạng thái của cá xung điều khiển đó và việc điều khiển này được thực hiện bởi bộ vi

xử lý Vận tốc tức thời và vận tốc trung bình trên đồ thị mô men –vận tốc phải nhỏ hơn vận tốc cực đại vmax thì mô men động cơ mới giữ mức cực đại

Chiều quay của động cơ bước phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch các bước(thứ tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây).Chẳng hạn ,rô to đang ở vị trí bước thứ n;nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí bước thứ (n+1) thì động cơ quay phải; nếu ta cấp điện sao cho rô to chuyển sang vị trí bước thứ(n-1) thì động cơ quay trái việc phát xung để cấp điện do bộ xử lý điều khiển

Với động cơ 2pha,điều khiển cả bước có 4 trạng thái cấp điện,nếu điều khiển nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.với động cơ 4 pha được cấp xung1 cực thì cũng có

4 và 8 trạng thái như trên cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.bảng sau

cả bước có 4 trạng thái 1,3,5,7 hoặc 2,4,6,8.cả bước có cả 8 trạng thái của động cơ 4 pha

Hình 2.1 Bảng trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha