Báo cáo giữa kỳ môn học cảm biến và cơ cấu chấp hành

Điện áp được cấp vào các cuộn dây trong stator để tạo ra từ trường, kéo rotor quay theo các bước nhất định.Động cơ bước đồng bộ synchronous stepper motor: Cấu tạo tương tự như động cơ bư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CHẤT LƯỢNG CAO

✪

BÁO CÁO GIỮA KỲ MÔN HỌC CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2023

GVHD: TS.Hà Lê Như Ngọc Thanh

Nguyễn Hữu Minh 21146126

MHP: SEAC225929

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN 1

5.2 Lựa chọn stepper motor như thế nào 13

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

CỦA CẢM BIẾN

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại động cơ bước (stepper motor) với các cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau Một số loại phổ biến bao gồm:

Động cơ bước đơn giản (simple stepper motor): Bao gồm một rotor và một stator, với các cực nam châm sắp xếp theo một số bước nhất định Điện áp được cấp vào các cuộn dây trong stator để tạo ra từ trường, kéo rotor quay theo các bước nhất định

Động cơ bước đồng bộ (synchronous stepper motor): Cấu tạo tương tự như động cơ bước đơn giản, nhưng có thêm một cảm biến để giúp điều chỉnh tốc

độ và đồng bộ hóa quay của rotor

Động cơ bước Hybrid (hybrid stepper motor): Kết hợp giữa nguyên lý hoạt động của động cơ bước đơn giản và động cơ bước đồng bộ, cho phép tăng hiệu suất và độ chính xác của động cơ

1.1 Cấu tạo

⮚Cấu tạo: Động cơ bước ( stepper motor ) gồm 2 thành phần chính :

+ Phần rotor của hybrid step motor được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với 2 phần cực từ N & S độc lập nhau ghép lại trên cùng 1 trục rotor Do là loại động

cơ step nên phần rotor của động cơ bước được chế tạo là các cực từ dạng “răng”

và nằm ở vị trí so le nhau

+ Phần stator của hybrid step motor được cấu tạo từ 2 cuộn dây “A+ A-” và

“B+ B-” Khi có dòng điện chạy qua lần lượt các cuộn dây pha A và pha B, các cặp cực của stator sẽ sinh ra từ trường và tương tác với từ trường ở nam châm vĩnh cửu trên rotor, và làm trục rotor ( trục động cơ ) quay theo 1 góc bước nào đấy

1.2 Nguyên lý hoạt động

Mỗi động cơ đều chuyển đổi năng lượng Động cơ điện chuyển đổi điện thành chuyển động Động cơ bước chuyển đổi điện thành quay Động cơ bước không chỉ chuyển đổi năng lượng điện thành quay mà nó còn có thể được điều khiển rất chính xác về mức độ quay và tốc độ quay

Động cơ bước được đặt tên như vậy vì mỗi xung điện sẽ quay động cơ một bước Động cơ bước được điều khiển bởi một trình điều khiển, gửi các xung vào động cơ, khiến nó quay Số lượng xung điện mà động cơ quay là bằng số lượng xung được gửi vào trình điều khiển Động cơ sẽ quay với tốc độ bằng tần số của những xung này

Động cơ bước rất dễ kiểm soát Hầu hết các trình điều khiển đang tìm kiếm xung 5 volt, đó là mức điện áp của hầu hết các mạch tích hợp Bạn chỉ cần thiết kế một mạch để đầu ra các xung hoặc sử dụng một trong những máy phát xung của ORIENTAL MOTOR

Một trong những tính năng đáng kinh ngạc nhất của động cơ bước là khả năng

vị trí rất chính xác Điều này sẽ được đề cập kỹ hơn sau Động cơ bước không hoàn hảo, luôn có một số sai số nhỏ Độ chính xác tiêu chuẩn của động cơ bước của ORIENTAL MOTOR là ± 3 phút cung (0,05°) Tính năng đáng chú ý của động cơ bước là sai số này không tích lũy từ bước này sang bước khác Khi một động cơ bước tiêu chuẩn di chuyển một bước, nó sẽ di chuyển 1,8° ± 0,05° Nếu cùng một động cơ

di chuyển một triệu bước, nó sẽ di chuyển 1.800.000° ± 0,05° Sai số không tích lũy

Động cơ bước có thể phản ứng và tăng tốc nhanh chóng Chúng có quán tính rotor thấp, có thể đạt tốc độ nhanh chóng Vì lý do này, động cơ bước rất lý tưởng cho những chuyển động ngắn và nhanh

***Các Phương pháp điều khiển Stepper Motor

Wave Drive là một phương pháp điều khiển động cơ bước Trong phương

pháp này, chỉ có một pha được bật lên tại một thời điểm Khi chúng ta kích hoạt pha

A, cực nam của nó sẽ hút cực bắc của rotor Chúng ta tắt pha A và bật pha B, rotor quay 90° (1,8°) và tiếp tục như vậy Mỗi lần chỉ có một pha được kích hoạt Phương pháp này có một chuỗi điện bốn bước để quay động cơ

Phương pháp "2 Phases On" là phương pháp điều khiển động cơ bước bằng

cách kích hoạt hai pha cùng lúc Nếu cả hai pha A và B được kích hoạt như là cực nam, cực bắc của rotor sẽ được hút về phía giữa hai cực nam Theo thứ tự khi các pha

được kích hoạt, rotor sẽ quay để định vị giữa hai cực nam được kích hoạt Phương pháp "2 Phases On" có một chuỗi điện bốn bước để quay động cơ và tạo ra mô-men xoắn gấp 41,4% so với phương pháp "1 Phase On"

Đối với động cơ 5 pha, chúng ta sử dụng phương pháp "4 Phase On" Mỗi lần, chúng ta kích hoạt 4 pha và động cơ bước một bước Động cơ 5 pha sẽ đi qua một chuỗi điện 10 bước

Phương pháp "1-2 Phases On" hay còn gọi là nửa bước kết hợp hai phương

pháp trước đó Trong trường hợp này, chúng ta kích hoạt pha A Rotor sẽ định vị Tại điểm này, chúng ta giữ pha A bật và kích hoạt pha B Bây giờ rotor được hút về phía giữa hai cực nam và định vị ở giữa Rotor đã quay 45° (0,9°) Bây giờ chúng ta tắt pha A nhưng giữ pha B bật Động cơ bước tiếp theo được thực hiện Và cứ tiếp tục như vậy Bằng cách xen kẽ giữa một pha và hai pha được kích hoạt, chúng ta đã cắt đôi góc bước Hãy nhớ rằng với góc bước nhỏ hơn, độ rung được giảm (Đối với động cơ 5 pha, chúng ta xen kẽ giữa 4 pha và 5 pha được kích hoạt.)

Phương pháp nửa bước có một chuỗi điện tám bước Đối với động cơ 5 pha, trong phương pháp "4-5 Phases On", động cơ sẽ đi qua một chuỗi điện 20 bước

Microstepping là cách để làm cho các bước nhỏ hơn Càng nhỏ bước, độ phân

giải càng cao và đặc tính rung tốt hơn Trong microstepping, một pha không được kích hoạt hoàn toàn hoặc tắt hoàn toàn Nó được kích hoạt một phần Sine wave được

áp dụng cho cả pha A và pha B, cách nhau 90° (0,9° trong động cơ bước 5 pha) Khi công suất tối đa ở pha A, pha B là không Rotor sẽ định vị với pha A Khi dòng điện đến pha A giảm, nó tăng lên pha B Rotor sẽ di chuyển những bước nhỏ về phía pha B cho đến khi pha B đạt giá trị tối đa của nó và pha A là không Quá trình tiếp tục quanh các pha khác và chúng ta có microstepping

Có một số vấn đề liên quan đến microstepping, chủ yếu là độ chính xác và mô-men xoắn Do các pha chỉ được kích hoạt một phần, mô-mô-men xoắn của động cơ giảm xuống, thường khoảng 30% Ngoài ra, vì chênh lệch mô-men xoắn giữa các bước rất nhỏ, động cơ đôi khi không thể vượt qua tải trọng Trong những trường hợp đó, động

cơ có thể được yêu cầu di chuyển 10 bước trước khi thực sự bắt đầu di chuyển Trong nhiều trường hợp, cần thiết phải đóng vòng lặp với các bộ mã hóa để giám sát vị trí, điều này làm tăng giá thành

CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA STEPPER MOTOR

Đặc tính : Động cơ bước (stepper motor) là một loại động cơ điện, có thể xoay một góc nhất định với mỗi lệnh xung từ bộ điều khiển Các đặc tính

Số bước (Step count): Đây là số lượng bước

mà động cơ có thể xoay để hoàn thành một vòng quay đầy đủ Số bước thường được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật của động

cơ Ví dụ, một động cơ bước có thể có 200 bước để hoàn thành một vòng quay đầy đủ

Góc bước (Step angle) : Đây là góc xoay tương ứng với mỗi bước Góc bước của

động cơ bước thường là 1.8 độ, 7.5 độ hoặc 15 độ Trong ví dụ trên, góc bước của động cơ là 1.8 độ

Điện áp (Voltage) : Điện áp cung cấp cho động cơ bước phải phù hợp với yêu cầu

của nó Nếu điện áp không đủ, động cơ sẽ không hoạt động đúng cách Điện áp được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật của động cơ

Dòng điện (Current): Động cơ bước yêu cầu một dòng điện nhất định để hoạt

động Nếu dòng điện không đủ, động cơ sẽ không có đủ lực để xoay Dòng điện được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật của động cơ

Tốc độ (Speed) : Tốc độ xoay của động cơ bước phụ thuộc vào tần số xung cấp

cho nó Tốc độ tối đa của động cơ bước thường được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật Tốc độ này được tính bằng số lượng bước mà động cơ có thể xoay trong một giây

Độ chính xác (Accuracy) : Độ chính xác của động cơ bước là khả năng xoay một

góc chính xác tương ứng với số lượng bước được yêu cầu Độ chính xác của động

cơ bước phụ thuộc vào số bước của nó Ví dụ, nếu một động cơ có 200 bước và góc bước là 1.8 độ, thì độ chính xác của nó là 0.9 độ

Điều khiển (Control) : Động cơ bước được điều khiển bằng các xung điện từ bộ

điều khiển Các xung điện này được tạo ra bởi các vi điều khiển hoặc các bộ điều khiển đặc biệt Bộ điều khiển sẽ phát ra các xung điện với tần số và thứ tự phù hợp để động cơ xoay đúng hướng và đúng số bước

Momen xoắn (Torque) : Động cơ bước có thể cung cấp một lực xoắn tại trục

quay của nó Momen xoắn của động cơ bước phụ thuộc vào dòng điện và tốc độ xoay của nó

Độ rung (Vibration): Động cơ bước có thể gây ra rung động khi hoạt động, do

đó cần được lắp đặt và sử dụng đúng cách để giảm thiểu rung động

Tuổi thọ (Lifespan): Động cơ bước có tuổi thọ khá cao và có thể hoạt động trong

một thời gian dài nếu được bảo trì và sử dụng đúng cách

Kích thước (Size): Động cơ bước có nhiều kích thước khác nhau, từ nhỏ đến lớn,

phù hợp với các ứng dụng khác nhau

Độ ồn (Noise) : Động cơ bước có thể gây ra tiếng ồn khi hoạt động, do đó cần

được lắp đặt và sử dụng đúng cách để giảm thiểu tiếng ồn

Độ phân giải : Độ phân giải của stepper motor là số bước mà nó có thể di chuyển

trong một vòng quay đầy đủ, được tính bằng cách chia số bước trên một vòng của rotor cho số bước trên một vòng của stator

Khả năng tải trọng : Stepper motor có khả năng chịu tải cao và khả năng giữ vị

trí của nó rất tốt Tuy nhiên, nếu tải quá nặng, điện áp đưa vào cần được tăng để

duy trì tốc độ và vị trí

Khả năng khởi động :Stepper motor có khả năng khởi động một cách dễ dàng,

vì vậy nó được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu khởi động và dừng nhanh chóng

CHƯƠNG 3: SO SÁNH CÁC LOẠI NGUYÊN LÝ

***Dưới đây là bảng so sánh 1 số nguyên lý của 3 loại

stepper motor:

CHƯƠNG 4: DATASHEET

Ở trên là datasheet của 3 dòng của stepper nema ( 17,23,34)

CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA STEPPER MOTOR

5.1. Ứng dụng

Stepper motor được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng có yêu cầu chuyển động xoay chính xác và độ tin cậy cao Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của stepper motor:

Máy in: Stepper motor được sử dụng để điều khiển các bộ phận của máy in như

đầu in, trục cuốn giấy, hộp mực

Máy CNC: Stepper motor được sử dụng để điều khiển các trục XYZ của máy

CNC để cắt, khoan hoặc mài các chi tiết chính xác

Máy chiếu phim: Stepper motor được sử dụng để điều khiển các bộ phận của

máy chiếu phim như bộ lấy nét, bộ đèn

Máy quay phim: Stepper motor được sử dụng để điều khiển các bộ phận của

máy quay phim như ống kính, trục quay

Robot: Stepper motor được sử dụng để điều khiển các khớp của robot để thực

hiện các chuyển động chính xác

Thiết bị y tế: Stepper motor được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy MRI,

máy xạ trị, máy hút dịch

Thiết bị gia dụng: Stepper motor được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như

máy giặt, máy rửa chén, máy hút bụi

Thiết bị điện tử: Stepper motor được sử dụng trong các thiết bị điện tử như máy

in 3D, máy quét

Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, stepper motor có thể được sử dụng với các driver và bộ điều khiển khác nhau để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và tốc độ của ứng dụng

5.2. Lựa chọn stepper motor như thế nào ?

Để lựa chọn stepper motor phù hợp với ứng dụng của bạn, bạn cần xem xét các yếu

tố sau đây:

Tải trọng: Để chọn stepper motor phù hợp, bạn cần xác định tải trọng mà motor

cần phải vận chuyển hoặc giữ vị trí Tải trọng bao gồm khối lượng và các yếu tố khác như ma sát, lực cản

Tốc độ: Tốc độ của stepper motor phụ thuộc vào số bước và tần số xung điều

khiển Bạn cần xác định tốc độ cần thiết cho ứng dụng của mình để chọn stepper motor có số bước và tần số xung điều khiển phù hợp

Độ chính xác: Độ chính xác của stepper motor phụ thuộc vào đặc tính hàm

truyền và độ nhạy Bạn cần xác định độ chính xác cần thiết cho ứng dụng của mình để chọn stepper motor có đặc tính hàm truyền và độ nhạy phù hợp

Kích thước: Kích thước của stepper motor phụ thuộc vào số bước và công suất

của motor Bạn cần xác định kích thước và hình dạng của stepper motor cần thiết cho ứng dụng của mình

Chi phí: Chi phí của stepper motor phụ thuộc vào đặc tính và kích thước của

motor Bạn cần xác định ngân sách của mình và chọn stepper motor có giá thành phù hợp với ngân sách

Độ bền và tuổi thọ: Độ bền và tuổi thọ của stepper motor phụ thuộc vào chất

lượng của các linh kiện và cấu trúc bên trong motor Bạn cần chọn stepper motor

từ các nhà sản xuất uy tín để đảm bảo độ bền và tuổi thọ cao

Các yêu cầu kỹ thuật khác: Bạn cần xem xét các yêu cầu kỹ thuật khác như nhiệt độ môi trường, độ ẩm, độ rung, tiếng ồn để chọn stepper motor phù hợp với ứng dụng của mình

5.3. Video Clip minh họa

Link :

https://www.youtube.com/watch?v=5PEJ81QkBj4

https://www.youtube.com/watch?v=9tCwHBPJgDQ

https://www.youtube.com/watch?v=hQ-yoy9yxUk

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 https://www.orientalmotor.com/stepper-motors/technology/stepper-motor-basics.html

2 https://www.ti.com/lit/an/sprabq7a/sprabq7a.pdf

3 https://www.electronicshub.org/stepper-motor-control-using-arduino/

4 https://www.oyostepper.com/images/upload/File/17HS19-2004S2.pdf

5 https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1572377/ETC/NEMA17.html