truyền động điện tự động, động cơ bước

Động cơ bước là gì? Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng 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 roto vào các vị trí cần thiết. (Theo wikipedia)

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

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

TP HỒ CHÍ MINH – 12/2020

3.TRẦN NGỌC THẮNG

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

PHỤ LỤC Phần mở đầu 4

I.Lý do chọn đề tài 4

1.Giới thiệu 4

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 9

2.Cấu tạo 10

2.1.Động cơ biến từ trở 10,11 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 21

IV.Ứng dụng động cơ bước 23

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI.

1 Giới thiệu.

Động cơ bước có thể được mô tả như là 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 Hầu hếtcác động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khánhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễdàng ở các vị trí bất kỳ Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo

và động cơ bước Cả hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vịtrí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm Servo motor đòi hỏi tínhiệu hồi tiếp analog Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệuhồi 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 vượtqua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng lặp lại vịtrí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và các linhkiện analog khác trong mạch hồi tiếp Động cơ bước có thể được dùng trong hệthống điều khiển vòng hở đơn giản; những hệ thống này đảm bảo cho hệ thốngđiều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ởgia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước Nếu mộtđộng cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí củađộng cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại; động cơ servo thì không xảy ravấn đề này

2 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây động cơ bước đã và đang được sử dụng rộng rãi trongcác hệ điều khiển chính xác Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tựđộng 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 thôngthường, 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 vàostato 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 vàothứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Chính vì vậy luôn tồn tại những vấn đềphát sinh trong việc điều khiển một cách có hiệu quả của động cơ này Vì thế nhómchúng em chọn đề tài: “ Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bước” Bên cạnh việcđược sử dụng rộng rãi nhưng tài liệu nói về động cơ bước khá ít Đó cũng là khókhăn của nhóm khi làm đề tài này Thời gian làm đề tài ngắn và kiến thức sinh viênnăm ba còn chưa đủ chuyên sâu nên không thể tránh những thiếu sót Rất mongcác bạn và giáo viên đóng góp để đề tài phát triển hơn,đầy đủ hơn Chân thành cảmơn!

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 nhauthành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto, có khả năng cốđịnh 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 bướcvới thứ tự và tần số theo lệnh đã cho Góc quay tổng hợp của rôto động cơ bướctương ứng chính xác với số lần chuyển đổi các cuộn dây điều khiển, chiều quayphụ 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 khiểnđổi chiều điện tử như một hệ thống điều chỉnh tần số của động cơ đồng bộ với khảnăng định vị trí góc xoay rôto, tức là bằng cách thay đổi tần số cho tới 0 Trongđiều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đăcbiệt hữu hiệu bở nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số,hoạc như một phần tử phụ biến 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 bịquang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điều khiển bắt và bám mụctiêu trong các khí tài quân sự, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắtgọt,điều khiển cơ cấu lái trong máy bay và đặc biệt trong công nghệ máy tính thìđộng 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: - Có bước chuyển dịch bé - Moment đồng bộhóa đủ lớn đảm bảo được sai số góc nhỏ nhất khi thực hiện bước duy chuyển -Không tích lũy sai số khi tăng bước - Tác động quá nhanh - Làm viecj đảm bảokhi có cuộn dây điều khiển ít nhất - Động cơ và cả bộ điều khiển đổi chiều có cấutạo 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 thíchhoặc 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 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 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 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

của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước Rôto trong động cơ này có 4 răng vàstato có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai cực đối diện Khi một cuộn được kíchđiện, răng X của rôto bị hút vào cực 1 Nếu dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòngqua 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 luânphiên 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 chophép động cơ quay với góc nhỏ hơn Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các răngtrên 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 ứngvới một xung thì tốc độ động cơ được tính:

n = 60f/ RS (Vòng/phút)

2.2 Động cơ bước đơn cực

Hình 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 8dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2, với một đầu nối trung tâm trên cáccuộn dây Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồncấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởicuộn 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 Từđây, khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnhcửu, việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự Mấu 1 nằm ởcực 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 vòngtròn 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 namchâm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khálớn 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

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 khiển

để 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,chỉ 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 đangtrong 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 vớicác loại động cơ có 5 dây dẫn chính, cần nhớ rằng, nếu điện trở giữa 2 đầu liên tiếpcủa một động cơ 5 pha là R, thì điện trở giữa hai đầu không liên tiếp sẽ là 1.5R Vàcũng cần ghi nhận rằng một vài động cơ 5 pha có 5 mấu chia, với 10 đầu dây dẫnchính Những dây này có thể nối thành hình sao như hình minh hoạ trên, sử dụngmạch điều khiển gồm 5 nửa cầu H, nói cách khác mỗi mấu có thể được điều khiểnbởi một vòng cầu H đầy đủ của nó Để tránh việc tính toán lý thuyết với các linhkiện 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.

(tức là cuộn 1 với 3,4

Sơ đồ mộtđộng cơ bước đặc trưng

được cấp điện thì cuộn 2 ngắt và ngược lại.tương tự

Bảng sự thật Sơ đồ bước động cơ

J A = C.B + C

K A = C + C.B

J B = C + C.A

K B = CA + C

Sơ đồ điều khiển xung của động cơ bước

JNB SW3,DUNG

LJMP TIEP2 TIEP2:

DJNZ R3,LAP3DJNZ R2,LAP4

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật, đã có nhiều loại động

cơ hiện đại được ứng dụng để điều khiển robot, điều khiển lập trình trong các thiết

bị gia công cắt gọt Có hai loại động cơ bước và động cơ DC được ứng dụng nhiềunhất trong PLC – ED – 4260 để điều khiển tốc độ, chiều quay và vị trí Động cơ

DC có thể điều khiển quay trái, quay phải, thay đổi tốc độ và thời gian điều khiểnnhư mong muốn Động cơ bước dùng để điều khiển tốc độ, chiều quay và độ phângiải sao cho đạt giá trị nhỏ nhất, tức điều khiển sao cho góc/bước là nhỏ nhất Tổng

số góc quay của roto trong động cơ bước tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng