ĐỒ án ĐỘNG cơ bước 2020

ĐỒ ÁN ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐỘNG CƠ BƯỚC, phân loại và các cách điều khiển động cơ bước, đồ án báo cáo năm 2020 ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH. Tính toán và công thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

GVHD: TS TRẦN QUANG THỌ SVTH: NHÓM 7

1 NGUYỄN HOÀI PHƯƠNG MSSV: 18542084

2 TRẦN TẤT THỊNH MSSV: 18542096

3 TRẦN NGỌC THẮNG MSSV: 18542094

TP HỒ CHÍ MINH – 12/2020

3.TRẦN NGỌC THẮNG

PHỤ LỤC

Phần mở đầu 4

I.Lý do chọn đề tài 5

1.Giới thiệu 5

2.Lý do chọn đề tài 5

Phần thân bài 6

I.Khái niệm 6

1.Động cơ bước 6

2.Phân loại động cơ bước 7,8 II.Nguyên lý hoạt động 9

1.Nguyên lý hoạt động 10

2.Cấu tạo 10

2.1.Động cơ biến từ trở 11,12 2.2.Động cơ bước nam châm vĩnh cửu ……… 13

2.3.Động cơ bước hai cực 15,16 2.4.Động cơ bước nhiều pha 17

III.Phương pháp điều khiển 18

1.Điều khiển bằng xung 19

2.Điều khiển mạch cầu H 20

3.Điều khiển PLC 21,22,23,24

bước 25,26,27

5.1 Kết quả đạt được……… 285.2 Hướng phát triển………28

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.

1 Giới thiệu.

Động cơ bước (stepper motor), 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 cácchuyển động góc quay Được mô tả như một động cơ điện không dùng bộ chuyểnmạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặctrong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệunhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điềukhiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thểgiữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào Bêncạnh đó, trong thực tế có rất nhiều loại động cơ và cách điều khiển tốc độ củachúng Nhưng động cơ nào cũng có ưu và nhược điểm của chúng Trong một vàiứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước Cả hai loại động cơnày đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khácnhau ở một số điểm Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xemxét một số vấn đề, và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế Động cơ bước có thểsử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, hoặc vòng kín, tuy nhiên khisử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở khi quá tải, tất cá các giá trị của

động cơ đều bị mất và hệ thống cần nhận diện lại Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồitiếp analog Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếpvề vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trímong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần Vìvậy, chúng ta cần giải quyết vấn đề của từng loại để có thể tối ưu sự hoạt động củacác loại động cơ, cũng như điều khiển chúng.

2 Lý do chọn tên đề tài

Trong những năm gần đây động cơ bước đã và đang được sử dụng rộng rãi và phổbiến trong các hệ điều khiển chính xác Mọi người phải đồng ý rằng: Động cơbước (Step Motor) hiện nay rất thông dụng trong nhiều ngành công nghiệp khácnhau Ví dụ như sử dụng trọng hệ thống di chuyển của các lại máy cnc như máycắt cnc, máy cắt lazer, máy cắt platma cnc… Động cơ bước được ứng dụng rấtnhiều trong ngành tự động hóa, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điềukhiển chính xác Động cơ bước là một loại động cơ điện nhưng có nguyên lý vàứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Đúng như cái tên củanó, động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước, độ chính xác rất cao về mặt điều khiển Hoạt động nhờ các bộ chuyển mạchđiện 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 chiềuquay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyểnđổi Tất nhiên chúng luôn tồn tại những vấn đề phát sinh trong việc điều khiển mộtcách có hiệu quả những động cơ này, ưu điểm có, nhược điểm cũng có Vì thếnhóm chúng em chọn đề tài: “ Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bước” Bêncạnh việc được sử dụng phổ biến nhưng tài liệu nói về động cơ bước còn hạn chế.Đó cũng là khó khăn của nhóm khi làm đề tài này Thời gian làm đề tài ngắn vàkiến thức sinh viên học hệ liên thông còn chưa đủ chuyên sâu nên không thể tránhnhững thiếu sót Rất mong các bạn và thầy đóng góp để đề tài phát triển hơn,đầy

đủ hơn Xin chân thành cảm ơn !

PHẦN THÂN BÀI

I KHÁI NIỆM

1 Động cơ bước.

Động cơ bước là gì ?

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 Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một

động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điệnrời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay Chúng thực chất là một động

cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rờirạc 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 cơlàm việc phải có bộ đổi chiều điện tử dùng chuyển đổi các cuộn dây điều khiển củađộng cơ bước với thứ tự và tần số theo lệnh đã cho Góc quay tổng hợp của rôtođộng 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 sốchuyển đổi Như vậy trong trường hợp tổng quát có thể xem động cơ bước với bộđiều 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 chấphành đăc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dướidạng số, hoặc như một phần tử phụ biến đổi tín hiệu xung thành tín hiệu điều chếcho một hệ thống nào đó Loại động cơ này hiện đang được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, đặc biệt là các thiết bị cần điều khiển chính xác. Những ứngdụng cụ thể của động cơ bước trong ngành tự động hóa là: trong thiết bị điều khiển

robot, điều khiển định vị trong các quan hệ trắc, điều khiển tiêu cự trong các hệ

quang học, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển các cơ cấu láiphương và chiều trong máy bay, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắtgọt, hay sự kết nối động cơ bước với vi điều khiển 8051 Còn trong các ngànhcông nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng chủ yếu cho các loại ổ đĩa cứng,ổ đĩa mềm hay máy in

Ngoài ra động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển và đolường

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

- Có bước chuyển dịch bé

- Moment đồng bộ hóa đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi thực hiệnbước duy chuyển

- Không tích lũy sai số khi tăng bước

- Tác động quá nhanh

- Làm việc 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

Động cơ bước được chia thành 3 loại chính là:

1. Động cơ bước biến từ trở

2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

3. Động cơ bước hỗn hợp/lai

Vì chúng ta có thể phân biệt các loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấpđiện cho chúng Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùngtay 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 trongrotor) Bạn cũng có thể phân biệt các 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 châmvĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trungtâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực Động cơ bước phongphú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó cácđộng 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 hợpđều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển cácphân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửuhoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở khôngtải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khimoment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ.

II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

1.Nguyên lý hoạt động

Khi một chuỗi xung được gửi, động cơ sẽ bước theo xung Góc mà trục động cơbước quay cho mỗi xung được gọi là góc bước, thường được biểu thị bằng độ

Nguyên lý hoạt động – Động cơ bước

Số lượng xung đầu vào được cấp cho động cơ quyết định góc bước và do đó vị trí của trục động cơ được điều khiển bằng cách điều khiển số lượng xung Tính năng độc đáo này làm cho động cơ bước rất phù hợp với hệ thống điều khiển vòng hở trong đó vị trí chính xác của trục được duy trì với số xung chính xác

mà không cần sử dụng cảm biến phản hồi

Nếu góc bước càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay càng lớn và độ chính xác của vị trí thu được càng lớn Các góc bước có thể lớn tới 90 độ và nhỏ đến 0,72 độ, tuy nhiên, trong thực tế các góc bước thường được sử dụng là 1,8 độ, 2,5 độ, 7,5 độ và 15 độ

Hướng quay của trục phụ thuộc vào chuỗi xung áp dụng cho stato Tốc độ của trục hoặc tốc độ động cơ trung bình tỷ lệ thuận với tần số (tốc độ của xung đầu vào) của các xung đầu vào được áp dụng tại các cuộn kích Do đó, nếu tần số

thấp, động cơ bước quay theo các bước và đối với tần số cao, nó liên tục quay như động cơ DC do quán tính.

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

2 Cấu tạo

Hình 1 Động cơ biến từ trở

Động cơ biến từ trở Cấu tạo của động cơ này là rôto và stato được chế tạo bằng vậtliệu từ Nếu động cơ có ba cuộn dây Được nối như hình 1, với một đầu nối chungcho tất cả các cuộn dây, những động cơ như thế thì chắc chắn là động cơ biến từtrở Khi sử dụng dây nối chung ( C ) thường được nối vào cực dương của nguồn vàcác 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 6cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện Khi một cuộn được kích điện, răng Xcủa 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 quayđộng cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3cuộn dây Hình dạng động cơ trong hình 1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số răngrôto 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 rôtomột 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 ứngvới một xung thì tốc độ động cơ được tính:

Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến

từ trở là S ta tính được công thức sau:

n = 60f/ RS (Vòng/phút)

s=360/Np.Zr

2.2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Hình 2 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn phađược trình bày ở hình: Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A Khi cấpđiện cho 2 cuộn dây pha B và D trong 2 cuộn sẽ xuất hiện cực tính Do cực tínhcủa cuộn dây pha và roto ngược nhau dẫn đến roto chuyển động đến vị trí như hìnhphase B on Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thìroto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on

Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơnày được tính theo công thức sau: Sđc = 360/ Zs

2 3 Động cơ hai cực

Hình 3 Động cơ 2 cực.

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y nhưđộng cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không cóđầu trung tâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiểnđể đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn Minh hoạ ở hình 3 chỉ racách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y như ở hình 2 Mạch điềukhiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu; điều này sẽđược bàn chi tiết trong phần mạch điều khiển Tóm lại, một cầu H cho phép cựccủa 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, ởmức độ lý thuyết, và rằng 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, 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 nốitiếp với nhau, thì đó là động cơ hai cực điện thế cao Nếu chúng được nối songsong, thì đó là động cơ hai cực dùng điện thế thấp Nếu chúng được nối tiếp vớimột đầu trung tâm, thì dùng như với động cơ đơn cực điên thế thấp

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 cơnam 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 điềukhiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này cóthể 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 để có được bước 0.72 độ (500bước mỗi vòng).Với một động cơ 5 pha như trên sẽ quay mười bước mỗi vòngbước

Ở đây, giống như trong trường hợp động cơ hai cực, mỗi đầu hoặc được nối vàocực dương hoặc cực âm của hệ thống cấp điện động cơ Chú ý rằng, tại mỗi bước,